杜儿坪矿8#煤层顶板两带高度数值模拟研究

王建鹏，张 军，

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；2.山西焦煤集团有限责任公司杜儿坪矿，山西 太原 030026；3.华北科技学院科技管理处，河北 三河 065201)

综采工作面上覆岩层运移规律、矿压显现规律及受力状态分析，有很多专家进行过详细的理论分析、模拟及现场实测研究，取得了一大批研究成果，对综采工作面设备选型及回采工艺的优化提供了良好的技术支持[1-7]。但是将上覆岩层受力状态及破坏形态的研究成果应用到裂隙带高度分析领域的研究较少。杜儿坪矿是高瓦斯矿井，目前开采的8#煤层是主采层，但由于工作面开采过程中瓦斯超限现象频繁发生，严重影响了工作面的安全正常生产。主要原因是裂隙带高度确定不准、瓦斯高位抽采效率不高，不能有效解决瓦斯在工作面上隅角积聚的问题，本文拟通过对开采煤层上覆岩层受力状态及破坏形态的数值模拟研究，分析确定裂隙带发育高度，并应用现场实测手段对数值模拟分析结果进行验证，为综采工作面裂隙带高度的分析计算提供了新的有效方法。

1 模型建立

1.1 模型参数设置

模拟实验依据杜儿坪矿8#煤层68303工作面的煤岩层地质条件进行研究。主采8#煤层平均厚度4.7m，倾角2～3°，工作面长度240m，平均埋深422m。走向模型两边各留60cm的边界，以消除边界效应；模型中采高4.7cm，模型每次开挖20m。

岩石的破坏一般是由于其岩石内部剪张力作用的结果，岩体的破坏可理解为“塑性破坏”。当岩石达到屈服极限之前，可将岩石的变形视为弹性变形，达到屈服极限后则显示为塑性破坏。屈服准则是判别某一点的应力是否进入塑性状态的判别准则，本次模型计算，采用摩尔-库仑屈服准则。建立计算模型如图1所示。

1.2 相似条件的确定

根据实际赋存状况，计算模型的边界条件设定如下所示。

1) 上部边界条件:设定为煤层上覆岩层的重量，即

式中：γ为上覆岩层的平均体积力，kN/m3；H为煤层的埋深，m。

8#煤层平均垂深约为400m左右，上覆岩层的平均体积力取27kN/m3，代入式(1)得

σ=γH=10.8MPa

2) 下部边界条件:本模型的下部边界条件为底板，简化为位移边界条件，在x、y方向可以运动，z方向为固定铰支座，即v=0。

3) 两侧边界条件:本模型的两侧边界条件均为实体煤岩体，简化为位移边界条件，在z方向可以运动，其他方向为固定铰支座，即u=w=0。

实验室测定68303工作面顶板不同岩性的力学性质如表1所示。

图1 数值计算模型

表1 岩石物理力学性质

2 模拟结果及分析

2.1 采场应力状态分析

从图2可以看出，顶板上方约40m范围内的岩体处于应力降低区内，垂直应力在0～5MPa，小于原岩应力，表明该部分岩体应力已经释放，处于屈服状态，即顶板上方40m可能发生塑性破坏，该区域岩体为冒落带和裂隙发育区域；而在采场周边处于应力增高区域，当岩体载荷大于岩体的单轴抗压强度时，岩体即发生屈服破坏，且岩体的破坏程度和破坏范围随着载荷的增大、时间的延长而增大。

图2 采场围岩垂直应力云图

由图3可以看出，当工作面推过后，采场顶板上方红色区域内的水平应力值大于0，该区域为拉应力区，一般岩体的抗拉强度远小于岩体的抗压强度，且由于岩体中节理、裂隙等弱面的存在，导致岩体的抗拉强度较小，在数值模拟计算中，当岩体出现拉应力即可认为该岩体已发生塑性破坏或拉升破坏。图中采空区上方的拉应力区域约为顶板上方40m以内，即顶板上方的冒落带、裂隙带发育区域为40m左右。

图3 采场围岩水平应力云图

从图4可以看出，当工作面开采后，应力重新分布，由于采空区上方顶板下沉易形成拉应力区，岩体抗拉强度较小，该区域易发生垮落；在工作面左上和右上位置可形成剪应力集中区，因此该部分的岩体易形成拉剪破坏区，拉剪破坏岩体内部可形成较多的裂隙。

图4 采空区顶板力学分析

顶板上方70m、60m、50m、40m、30m、20m、10m处测点的垂直应力如5图所示。由于采动作用，顶板上方50m以上测点的应力变化幅度较小，表明采动对其影响较小；顶板上方20～40m处测点的垂直应力先是增大，后是快速减小，表明顶板上方50m以下岩体受采动影响较大，说明裂隙带发育高度小于50m。

图5 测点垂直应力追踪曲线

2.2 开采不同阶段顶板塑性状态分析

由图6可以看出，当工作面推进至140m时，顶板塑性区高度约为10m左右；当工作面推进至160m时，顶板塑性区高度约为16m左右；当工作面推进至180m时，顶板塑性区高度约为18m左右；当工作面推进至200m时，顶板塑性区高度约为20m左右；当工作面推进至220m时，顶板塑性区高度约为20m左右，且对其老顶上方岩层开始产生影响，8#煤上方含煤地层部分产生塑性屈服；当工作面推进至220m时，顶板塑性区高度约为20m左右，但顶板的破坏范围与破坏程度有所增加。

图6 工作面推进不同阶段顶板塑性状态

3 现场测试验证

采用仰斜钻孔分段注水法与测试钻孔参数分析法对8#煤层冒落带、裂隙带高度进行现场测试，测试结果如下所示。

1) 钻孔垂直深度从11.3m到13.3m，高压水流量逐渐减小，压力基本不变，注水60L前后的流量数值差距不大、压力差距逐渐增大，可见在垂深为11.3m到13.3m范围内，高压水在注水管外流动比在管内阻力大，但流量基本相等，表明13.3m接近冒落带的上限。

2) 钻孔垂直深度从13.3m到16.4m，高压水流量明显减小、压力逐渐增大，注水60L前后的流量数值差距明显增大、压力差距逐渐增大，可见在垂深为13.3m到16.4m范围内，高压水在注水管外流动比在管内阻力大，流量显著降低，表明16.4m为冒落带的上限和裂隙带的下限(极发育阶段)。

3) 钻孔压力参数测试的负压及节流压力数据表明，钻孔垂深从20.5m到46m负压逐渐降低。根据气体状态方程pv=nRT可知，当气体状态参数nRT变化不大时，气体的体积大则压力小，由此可知钻孔垂深从20.5m到46m范围内岩层裂隙逐渐减小，节流后压力降低幅度与节流前的压力成正比，所表现的实际意义与负压相同。

4) 钻孔气体流量参数测试中，流量表现出逐渐降低的趋势，表明裂隙逐渐减小，但垂深33.6m到46m降低显著，表明垂深达到46m时已接近裂隙带的上限。

4 结论

通过数值模拟手段对杜儿坪矿68303工作面顶板冒落带、裂隙带高度进行了分析研究，将数值分析与现场测试结果进行对比，得到如下结论。

1) 冒落带内岩体主要以拉伸破坏为主，裂隙带内岩体以剪切破坏为主，且剪应力集中区的范围在采场周边要大于采场中部；塑性破坏区为顶板冒落带范围，顶板采动垂直应力的变化幅度反映了裂隙带的发育程度。

2) 顶板受力状态、破坏形态及采动垂直应力变化幅度的数值分析结果表明，冒落带高度约为20m左右，裂隙带高度约为50m左右，比较发育的裂隙带范围为33.0～40.0m。

3) 现场仰斜钻孔分段注水及钻孔参数实测冒落带、裂隙带高度分别为16m、46m左右。

4) 借助数值模拟手段对综采工作面顶板受力状态、破坏形态及采动垂直应力变化幅度进行分析推定顶板冒落带、裂隙带高度是可行的、有效的。

[1]彭苏萍,凌标灿,郑高升,等.采场弯曲下沉带内部巷道变形与岩层移动规律研究[J].煤炭学报,2002,27(1):21-25.

[2]刘红元,唐春安,芮勇勤.多煤层开采时岩层垮落过程的数值模拟[J].岩石力学与工程学报 2001,20(2):190-197.

[3]柴肇云,武小玲,康天合.基于拉格朗日算法的综放采场矿压显现规律研究[J].山东科技大学学报,2007,26(3):23-26.

[4]张嘉凡,石平五,邵小平.急斜近距煤层联合开采覆岩运移规律模拟[J].采矿与安全工程学报,2009,26(2):234-238.

[5]廖学东,高明中.开采方案对地表移动影响的数值模拟[J].采矿与安全工程学报,2008,25(2):226-230.

[6]赵忠明,孟武峰.下煤层采面穿越上煤层上山的数值模拟研究[J].采矿与安全工程学报,2010,27(2):228-232.

[7]许家林,钱鸣高,马文顶.岩层移动模拟研究中加载问题的探讨[J].中国矿业大学学报：自然科学版，2001,30(3):252-255.