巨厚砂岩顶板“三带”范围的数值模拟与界定

黄　铃，　王　军，　吴德义

(安徽建筑大学 土木工程学院,安徽 合肥　230601)



巨厚砂岩顶板“三带”范围的数值模拟与界定

黄铃，王军，吴德义

(安徽建筑大学 土木工程学院,安徽 合肥230601)

摘要：为定量划分采空区上覆巨厚砂岩顶板的“三带”范围，根据数值模拟的应力与位移结果，提出“三带”的界定准则：将上覆岩层中主应力都为拉应力的区域定为冒落带；将只有一个主应力为拉应力的岩层高度定为裂隙带的上限。采用FLAC3D软件对开采过程中的顶板运动规律进行了数值模拟，模拟结果与实际观测结果一致。表明此界定准则可为地质条件相似矿区的顶板“三带”分布提供借鉴。

关键词：采空区；三带；数值模拟；顶板

0引言

随着煤矿开采逐渐加深，在全国各地巨厚砂岩顶板普遍分布。依据经验公式推导的“三带”范围不适用工程实际。本文采用FLAC3D软件进行数值模拟确定巨厚砂岩顶板“三带”范围。

1“三带”界定准则

岩石是一种抗压强度较高而抗拉强度极低的材料,所以采空区上覆岩性会影响受力。如果采空区覆岩三个方向主应力都为拉应力，该位置处岩石将产生全面拉破坏，该处顶板冒落形成冒落带；如果只有一个主应力是拉应力，则与该拉应力方向垂直的方向将产生明显裂隙，形成裂隙带。

采空区覆岩冒落区、裂隙区、弯曲下沉带的位移梯度不同，可以根据位移梯度大小来估算“三带”高度。根据相关文献资料，进入弯曲下沉带覆岩进入弯曲下沉带覆岩位移梯度约为冒落带位移梯度的0.4～0.5倍。依此可以确定裂隙带高度。

2FLAC3D建模

运用FLAC3D建立开采模型，施加合理的边界约束条件和应力并求解。后处理得到各种所需的应力、位移图。结合上面的“三带”界定方法。获得“三带”的范围。

图1三维模型图

三维建模。通过三维建模得到模型长、宽各400米，高650米如上图1所示。采用莫尔-库仑准则作为本构关系。所需的力学参数包括体积模量、弹性模量、内聚力、内摩擦角、抗拉强度和密度。通过现场取样实测得出参数如下表1所示：

表1　现场取样各层物理力学、参数

模拟开挖采用null模型进行模拟。模型长宽高为150m×150m×4m。分为3组模拟如下表2所示。

表2　三组计算模型的尺寸

3模拟结果

(1)各模型中部的第一、第三主应力如下图2、图3、图4所示。由图可得：采空区中部的下沉位移最大，从模型的采空区中部做切片可以分析得到冒落带、裂隙带的大致范围，便于指导生产。

图2覆岩主应力等值线图(计算模型1)

图3覆岩主应力等值线图(计算模型2)

由图2、图3、图4可知冒落带的形状受第一主应力影响最大，呈倒扣的碗状。在冒落带高度分布中，中间冒落带高于两边冒落带。裂隙带的形状受第三主应力影响最大，呈马鞍形。在裂隙带高度分布中，中间裂隙带低于两边裂隙带。

图4覆岩主应力等值线图(计算模型3)

4模拟结果分析

(1)以压应力为正，根据数值模拟结果，可以得出不同模型采空区中部覆岩主应力随距采空区顶板距离变化分别如下图5所示。

图5不同模型采空区覆岩主应力随距采空区顶板距离变化

以覆岩主应力都为拉应力范围作为冒落带，将一个方向主应力为拉应力的范围作为裂隙明显的裂隙带高度。可得到采空区巨厚砂岩顶板冒落带高度为23.0m，裂隙带高度44.0m。顶板岩性及厚度影响冒落带及裂隙带高度。当顶板厚度由37.0m减小到10.0m时，冒落带高度由23.0m减小到19.0m，裂隙带由44.0m减小到36.0m，；当顶板岩性由砂岩转化为泥岩时，冒落带高度由23.0m减少到18.0m，裂隙带高度由44.0m减少到38.0m, 在采空区“三带”范围的影响因素中，岩性的重要性超过岩层高度。

新集二矿210108工作面1煤采空区巨厚砂岩顶板冒落带高度为23.0m，明显裂隙带高度44.0m,裂隙带高度86.0m。顶板岩性及厚度影响冒落带及裂隙带高度。当顶板厚度由33.0m减小到10.0m时，冒落带高度由23.0m减小到19.0m，明显裂隙带由44.0m减小到36.0m，裂隙带高度由84.0m减小到74.0m；当顶板岩性由砂岩转化为泥岩时，冒落带高度由23.0m减少到18.0m，明显裂隙带高度由44.0m减少到38.0m, 裂隙带高度由84.0m减小到70.0m。

5工程验证

工程验证在淮南某矿进行。由邻近该工作面,从该巷道顶板由下向上向已冒落的工作面采空区钻倾斜钻孔进行观测已形成的采空区覆岩“三带”高度分布。钻孔布置如图6所示。钻孔摄像仪采用YTJ2型岩层探测记录仪。

图6工程示意图

钻孔摄像仪观测孔不同深度h摄像图片如图7所示。

图7不同孔深度的摄像成像

钻孔深度h=15.0m位于210106机巷和210108工作面之间煤柱中。摄影图片7(a)表明钻孔深度h=15.0m位置岩石已产生较为明显裂隙，说明工作面采动会引起邻近煤层顶板明显破坏，破坏范围应在(2.0～3.5)m。钻孔深度h=20.0m摄像图片7 (b)也说明邻近煤层顶板已产生破坏。钻孔深度h=25.0m位置刚进入采空区，摄像图片7 (c)表明该位置岩石裂隙明显；摄像图7 (d-h) 表明钻孔深度h=28.0～36.0m范围采空区顶板裂隙明显，h超过40.0m时仅有微裂隙产生，表明明显裂隙带高度应大约为38.0m。

摄影图片5(b-c)表明钻孔深度h=20.0～24.0m范围采空区顶板覆岩产生明显冒落，摄影图片5(c-f)表明钻孔深度h=25.0～40.0m范围采空区顶板覆岩未产生明显冒落，但裂隙明显。说明采空区冒落带高度大约为21.0m。

工程实测得出的冒落带及裂隙带高度和数值模拟结果基本相同，说明数值模拟结果和界定准则合理可行。

6结论

(1)提出了采空区数值模拟下的“三带”界定准则，将采空区中部上覆岩层主应力全为正应力的覆岩范围作为冒落带的高度，将采空区中部上覆岩层第三主应力为正应力的覆岩范围作为裂隙带的高度。

(2)对冒落带、裂隙带的形状从主应力的分布情况给予解释。冒落带主要受第一主应力影响。冒落带的形状和第一主应力分布形状相同，为倒扣的碗状；裂隙带主要受第三主应力影响。裂隙带的形状和第三主应力分布形状相同，为马鞍形。

(3)通过工程实测证实巨厚砂岩顶板“三带”分布范围与数值模拟得到的数值相符。说明“三带”界定准则具有工程应用价值，可以作为采空区高抽巷和防水煤柱布置的依据。

参考文献

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2刘保卫.采场上覆岩层“三带”高度与岩性的关系.煤炭技术,2009，28(8):56-57.

3钱鸣高,缪协兴.采场上覆岩结构的形态与受力分析. 岩石力学与工程学报，1995(2):97-106.

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5姜庆红,范慧鹤,李红英，等.FLAC3D中INTERFACE建模新方法在釆空区模拟中的应用.计算机与现代化,2008,(10):113-115.

Numerical Simulation and definition of “Three Zones”

in exstremely thick sandstone roof

HUANG Ling，WANG Jun，WU Deyi

(Civil Engineering School of Anhui Jianzhu University , Hefei 230601, China)

Abstract:In order to quantitatively divide the rang of “three zones” in extremely thick sandstone roof, definition criterion of “three zones” was proposed based on the distribution of stress by the numerical simulation. According to the definition criterion, the zones in which the first primary stress is tensile stress are the caving zone; the upper boundary of the fracture zone is defined in the height in which only one primary stress is tensile stress. Then, the laws of roof movement were simulated by FLAC3D software during the process of the exploitation. As the results, the simulation results are matched with the field observation. This definition criterion has a certain guiding significance for definition of the range of “three zones” in similar geological condition.

Key words:mined area; three zones; numerical simulation; roof

中图分类号：TU411.01

文献标识码：A

文章编号：2095-8382(2015)02-039-04

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150208

作者简介：黄铃(1987-)，女，硕士研究生，主要研究方向为地下结构计算理论与应用。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51374009)

收稿日期：2014-09-05