倾斜煤层浅部开采裂隙带发育高度数值模拟研究

徐旭东，南莹浩，邵小朋

(华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 065201)

倾斜煤层浅部开采裂隙带发育高度数值模拟研究

徐旭东，南莹浩，邵小朋

(华北科技学院安全工程学院，北京东燕郊 065201)

为保证倾斜煤层安全开采的需求，以许厂煤矿330采区3336工作面为研究地质单元，在以往的工作面实际情况和研究成果的基础上，以倾斜煤层围岩力学为研究角度，利用FLAC3D建立三维开采模型，通过数值模拟研究了开挖距离、采高对导水裂隙带发育高度的影响，结果表明：随开挖距离和采高的增加，覆岩导水裂隙带高度也增加，但开挖距离对覆岩导水裂隙带高度起主导作用。当开挖距离为200m时，顶板破坏深度达到最大值43m。

倾斜煤层;许厂煤矿;数值模拟;裂隙带;破坏深度

Abstract：In order to guarantee the safe exploitation of inclined coal seam，taking the 3336 working face of No.330 mining area of Xuchang Coal Mine as research geological unit，on the basis of the actual situation and research results in the past，taking the surrounding rock mechanics of inclined coal seam as the research angle，using FLAC3D to build 3D mining model，the influence of excavation distance and mining height is studied on the development of fractured zone through numerical simulation.The results show that with the increase of excavation distance and mining height，the height of water induced fracture zone increases，but the excavation distance plays a dominant role in the height of fracture zone of overlying rock.When the excavation distance is 200m，the roof failure depth reaches the maximum of 43m.

Key words：inclined seam;Xuchang Coal Mine;numerical simulation;fracture zone;failure depth

0 引言

对于我国水下采煤的专题研究，主要通过经验公式、相似模拟试验结合现场测试以及数值模拟等方法确定导水裂隙带高度［1－2］。通过大量现场试验，得出了适用于分层综采及普采的覆岩“两带”高度计算的经验公式。但在浅部倾斜煤层对“两带”高度发育的影响方面，目前研究的还较少。“两带”经验公式已经不能满足许厂煤矿330采区倾斜煤层安全开采需求。在其他学者的研究成果上，利用FLAC3D数值模拟软件，综合运用包括水文地质学、岩石力学、地质学、采矿学等方法和理论，对3煤层顶板导水裂隙带进行研究分析及数值模拟，对于煤矿安全生产具有不可小觑的指导意义［3－5］。

1 井田概况

许厂煤矿地处济宁城区东北部，矿井平面面积约56.587km2。济宁煤田许厂煤矿地层区属华北地层区——鲁西地层分区，区域上主要发育早古生代、中生代、新生代地层，含煤岩系为古生代石炭——二叠纪月门沟群山西组、太原组。井田内地层自下而上依次发育奥陶纪马家沟群，石炭——二叠纪月门沟群本溪组、太原组和山西组，二叠纪石盒子群，侏罗纪淄博群三台组及第四系。研究区3336工作面位于330东翼采区，所采煤层为3下煤，影响掘进的含水层主要为3下煤层顶板砂岩含水层、第四系孔隙含水层，粉细砂岩和粉砂岩为煤层顶底板的主要岩性。

2 模型的建立及边界条件

2.1 岩石物理力学性质

根据许厂矿现有的钻孔资料和岩土测试数据，如表1所示，本次模拟的输入参数，需要选取包括体积模量、切变模量、抗拉强度、抗剪强度、内摩擦角、内聚力、密度等各煤岩层的岩石物理力学性质，进行网格划分。

表1 岩石物理力学性质

2.2 边界条件

根据3336工作面的实际情况，确定该模型的边界约束条件：

(1)上部边界条件：通常情况下，数值计算时，将煤层上覆岩层的重量设定为上部边界条件

式中：γ—上覆岩层的平均体积力，kN/m3;

H—煤层的埋深，m。

单位体积上覆岩层重力取27 kN/m3，3#煤层垂直深度平均值约为200m，代入式得：

(2)下部边界条件：本模型的底板作为下部边界条件，简化成为位移边界条件，z方向简化为固定铰支座，在x、y方向视为可以运动，即v=0。

(3)两侧边界条件：本模型中的实体煤岩体作为两侧边界条件，简化成为位移边界条件，其他方向简化为固定铰支座，在z方向视为可以运动，即u=w=0。

2.3 模型建立

FLAC3D模拟计算采用摩尔—库伦本构模型，运用动态运动方程进行求解，保证其模拟物理上的运动过程没有数值障碍［6－7］。以 3336工作面为原型，如图1，长(x方向)宽(y方向)高(z方向)分别为300 m、300 m、180 m，施加上覆岩层自重应力在模型顶部，3煤层采高为3m。

与岩石的抗压强度相比，其抗拉与抗剪强度要低很多，因此岩石内部剪张力作用是岩石破坏的主要原因，“塑性破坏”可被认为是岩体破坏的主要形式。研究中，把弹性变形和塑性变形的分界点作为岩石的屈服极限，岩石在达到屈服极限之前，岩体变形为弹性变形，屈服极限之后，岩体变形为塑性变形。通常采用屈服准则判断某点的应力是否进入塑性状态，本次模型采用摩尔—库仑屈服准则进行数值模拟。建立计算模型如图1所示：

图1 三维计算模型

2.4 模拟计算过程

本次模拟的计算过程如下：

(1)对3#煤层进行开挖时，按照每20m为开挖的步距，沿煤层的走向进行一次性开采;

(2)为保护煤柱，两侧应留设50 m的边界，以消除边界的影响;

(3)承受的水平压力为垂向应力乘以侧压系数0.75。

2.5 数值模拟结果与分析

在数值模拟的计算中，对3煤层进行开挖时，按照每20m为开挖的步距，模拟出分步开挖后煤 岩层塑性破坏区分布图，如图2所示。

图2 工作面推进不同距离时塑性区变化图

由于煤层的开采导致采空区顶板受到自重及上覆岩层重力的作用，岩层向下位移和弯曲，岩层受拉应力作用，当拉应力大于其极限强度时，直接顶首先发生断裂，然后破碎，最终发生冒落的过程。

由于煤层的开采导致采空区周围岩石发生位移和变形，该过程较复杂，对于煤层上覆岩层，从煤层的直接顶岩开始，其移动过程由上而下依次发生冒落、断裂、离层、裂隙等。

根据数值模拟结果，可得煤层在开挖的各个阶段的裂隙带高度，如表2所示

表2 煤层在开挖各个阶段的顶板破坏深度

从表2可以看出，3煤顶板的破坏深度随着开挖距离的不断增加而增加，但当开挖距离达到150m后，顶板破坏深度基本不变，变化不大，当开挖距离为200 m时，顶板破坏深度到达最大值43m。因此可推测顶板最大破坏深度在43m。

3 结论

通过对许厂煤矿3336工作面采用FLAC3D数值模拟软件模拟3煤层开采时导水裂隙带发育情况，并根据模拟结果，得出如下结论：

(1)工作面开挖距离150m是导水裂隙带发育的一个转折点，是一个从发育充分、快速向发育缓慢、循序渐进的分界点;当工作面开挖距离为200m时得到最大的顶板破坏深度43 m，由此可推断出该深度为最大破坏深度。

(2)裂隙带呈现“马鞍型”，表现为中间较低、两边较高的形态，导水裂隙带起始边界位于煤壁附近;从裂隙带的分布区域来看，采场周边为裂隙带高度发育的较大区域，且该区域受到拉伸破坏的影响导致更易产生导水裂隙，因此采场边界的突水风险性应值得重视。

(3)仅从工作面的长度以及采高两个角度研究对首采面导水裂隙带发育高度的影响程度，其他可能的影响因素，还有待进一步研究，如区段煤柱宽度、大面积开采、开采时间、采空面积、埋深等。

(4)采用数值模拟不仅可很大程度上减少实际测量所需的人力物力财力，且能给予煤矿企业实际开采以指导，对煤矿安全生产有着不可小觑的意义。

［1］ 王锦山.孤岛工作面上覆岩层变形破坏规律相似试验研究［J］.山东科技大学学报(自然科学版)，2011，30(5)：6－11.

［2］ 王庆照，蒋升，司马俊杰.厚煤层重复采动覆岩破裂发育规律研究［J］.山东科技大学学报(自然科学版)，2010，29(4)：67－72.

［3］ 杜元洲，杜何辛.覆岩破坏机理和导水裂隙带发育高度研究厂［J］.煤矿安全，2011，31(04)：70－72.

［4］ 李学良.基于FLAC3D的采动区覆岩破坏高度数值模拟研究［J］.煤炭技术，2012，31(10)：83－85.

［5］ Pariseau W G.App lication of finite element analysis to miming engineering［M］.Hudson J A.Comp rehensive Rock Engineering.Oxford：Pergamon Press，1993：491－522.

［6］ 马亚杰，武强，章之燕，等.煤层开采顶板导水裂隙带高度预测研究［J］. 煤炭科学技术，2008，36(5)：59－62.

［7］ 刘增辉，杨本水.利用数值模拟方法确定导水裂隙带发育高度［J］.矿业安全与环保，2006，33(5)：16－19.

Numerical simulation study on development height of fracture zone in shallow coal seam

XU Xu－dong，NAN Ying－hao，SHAO Xiao－peng
(College of Safety Engineering，North China Institute of Science and Technology，Yanjiao，065201，China)

TD741

A

1672－7169(2017)03－0009－05

2017－04－17

中央高校基本科研业务费资助(3142017036)

徐旭东(1993－)，男，江苏南京人，华北科技学院在读硕士研究生，研究方向：矿井水害防治。E－mail：1256057641@qq.com