沙吉海矿高强度开采软弱覆岩“两带”高度 三维模拟研究

张刚艳，于秋鸽，赵高博

1. 煤炭科学研究总院，北京 100013；2. 中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；3. 河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454003 )

煤炭开采后扰动矿区原有地层，诱发岩层运动从而导致从顶板到高层位岩层都发生不同程度的破坏[1-3]。而西北矿区高强度开采诱发的覆岩破坏较一般地质采矿条件下更剧烈[4]，其采动覆岩“两带”高度( 也称“导水裂缝带高度” )发育规律具有特殊性[5]。

目前，《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》( 简称《规范》 )中给出的综放开采覆岩“两带”高度计算公式应用最为普 遍[6]，但通常与现场实测结果有较大误差[7-8]。部分学者针对综放开采覆岩“两带”高度进行了大量的研究。许延春[9]等借用回归分析方法得到了综放开采覆岩“两带”高度与采厚之间的经验公式；许家林[10-11]等提出了1种基于关键层位置预计覆岩“两带”高度的方法；张宏伟[12]等基于关键层理论，提出了1种根据坚硬岩层与软弱岩层破断距及其下方自由空间高度计算裂缝带高度的方法；郭文兵[13-14]等提出了基于覆岩破坏传递的覆岩“两带”高度理论计算方法。上述研究为高强度开采覆岩“两带”高度的计算提供了重要理论指导，然而鲜有研究通过建立高强度开采工作面的三维离散元数值模型，进而分析不同开采条件下覆岩“两带”高度。因此，笔者基于沙吉海煤矿某高强度开采软弱覆岩工作面采矿地质条件，基于3DEC离散元数值模拟软件，建立并基于现场实测数据校核了三维数值模型，该模型考虑了现场实测的最大、最小水平主应力及其与工作面推进方向夹角，很大程度上较真实地模拟了现场三维工作面的开采情况，较前人从平面角度做的二维相似模拟或二维数值模拟试验有较大的创新。

本文以沙吉海煤矿B1003W01工作面为工程背景，研究该矿高强度开采软弱覆岩“两带”高度。主要研究不同采厚、工作面倾向长度与推进速度对高强度开采软弱覆岩“两带”最大高度的影响，研究成果可对西北矿区高强度开采软弱覆岩工作面岩层控制、保水开采等方面具有一定的指导意义。

1 高强度开采软弱覆岩工作面概况

沙吉海煤矿位于我国西北部新疆塔城和什矿区，B1003W01工作面的开采深度平均为280 m，工作面走向长度为1 930 m，工作面倾向长度为210 m，工作面开采速度约为5 m/d，开采煤层属于近水平煤层，工作面采厚平均为6.5 m，采煤方法为综合机械化放顶煤开采。

另外，根据现场实测资料[16-17]，最大水平主应力与工作面推进方向的夹角平均为18°；沙吉海煤矿最大水平主应力与最小水平应力的比值、最大水平主应力与垂直应力的比值分别为1.85与1.50。该工作面上覆岩层180 m范围内的覆岩柱状如图1( b )所示。通过钻孔资料分析、覆岩力学性能测试方法确定了该工作面覆岩属于软弱类型[17]。

图1 三维数值模拟模型尺寸及工作面布置 Fig. 1 Size of numerical simulation model and panel layout

2 三维数值模拟方案及模型校核

2.1 数值模拟方案

通过3DEC离散元数值模拟软件共设计4种数值模拟方案，分别模拟不同工作面走向长度、采厚、工作面倾向长度与不同开采速度对高强度开采软弱覆岩“两带”高度的影响，模拟方案见表1，其中模拟的工作面走向长度为300 m，每隔15 m开挖1步，一共开挖20步。

表1 沙吉海煤矿数值模拟方案 Table 1 Schemes of numerical simulation of Shajihai Coal Mine

2.2 数值模型建立

本文建立的数值模型将考虑沙吉海煤矿B1003W01高强度开采工作面与最大水平主应力的夹角( 18° )，开挖区域设置在模型的中央，并施加了最大水平主应力与最小水平应力。设置边界煤柱的宽度大于100 m，目的是去除数值模型的边界效应。该工作面开采深度为280 m，大于模拟的工作面上覆岩层厚度( 180 m )，因此将在三维数值模型上方施加100 m岩层的载荷( 2.5 MPa )；另外设置工作面底板厚度为40 m。

模型边界条件为：固定数值模型的底部位移与侧面位移，采用摩尔-库仑屈服准则。本次数值模拟模型尺寸及工作面布置如图1所示。

2.3 数值模拟模型校核

用于模拟沙吉海煤矿B1003W01高强度开采工作面的上覆岩层力学参数见表2。

表2 覆岩各岩层模拟力学参数 Table 2 Parameters of overburden strata used in 3DEC

根据上述参数建立的三维数值模型，结合表2的覆岩各岩层及节理模拟力学参数，得到沙吉海煤矿B1003W01高强度开采工作面三维数值模型的初始应力，如图2所示。相关研究一般从3DEC数值模拟结果得到垂直位移云图，进而得到采动覆岩“两带”高度，但垂直位移不能较好地反映覆岩破坏情况。笔者以垂直位移云图( 图3中每张图的左半部分 )和节理法向位移( 图3中每张图的右半部分 )综合判断覆岩岩层裂缝发育与裂缝贯通情况，进而较为准确地得到覆岩破坏高度。

图2 初始应力sxx，szz，syy Fig. 2 Initial stress of sxx，szz and syy

图3 沙吉海煤矿B1003W01工作面覆岩垂直位移及法向节理位移 Fig. 3 Joint normal displacement of overburden failure of No. B1003W01 panel of Shajihai Coal Mine

模拟沙吉海煤矿B1003W01工作面实际采矿条件下的覆岩“两带”高度发育情况，用于校核上述建立的三维数值模型。其中，沙吉海煤矿B1003W01工作面部分覆岩“两带”高度发育过程中的垂直位移云图和节理法向位移图如图3所示。图3中节理法向位移在初始状态时为0，节理颜色为红色；随着工作面推进距离增加，节理法向位移增加，节理颜色逐步变绿色、蓝色、深蓝色，这意味着覆岩逐步发育裂缝并发生破坏，则归入“两带”高度的范围内。当节理颜色又重新逐步变红时，代表覆岩裂缝逐步发生闭合。

由图3可知，随着工作面推进距离的增加，节理颜色逐步变绿色、蓝色，说明覆岩裂缝发育，该工作面的覆岩“两带”高度增加。当工作面推进至180 m时覆岩“两带”高度为89 m，随着工作面继续推进，节理颜色逐步变红，说明覆岩离层裂缝趋于闭合，且覆岩“两带”高度达到最大值，没有继续增加。

文献[17]在B1003W01工作面地表施工了3个观 测 钻 孔( CH01 深 度273 m、CH02 深 度292 m 与 CH03深度309 m )，其相对位置及其观测结果如图4所示。

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图4 3个钻孔位置及其观测结果 Fig. 4 Three boreholes locations and observation results

通过各个钻孔冲洗液漏失量曲线、钻孔水位曲线、岩芯图片得到CH01，CH02，CH03钻孔观测“两带”顶点位置孔深分别为197.05，209.74，230.48 m，即得到3个钻孔的“两带”实测最大高度分别为75.95，82.26，78.52 m，进而可知该工作面上覆岩层“两带”实测最大高度为75.95～82.26 m。

根据上述数值模拟结果，可以得到：沙吉海煤矿B1003W01工作面软弱覆岩“两带”模拟最大高度( 89 m )与现场实测结果相近，可间接说明本次建立的数值模拟模型与覆岩岩性参数的合理性。

3 高强度开采软弱覆岩“两带”高度模拟结果

3.1 不同采厚对“两带”高度的影响

根据上述模拟方案，分析不同采厚( 3.5，6.5，9.5，12.5，15.5 m )对覆岩“两带”最大高度的影响，其中采动覆岩岩层垂直位移云图( 每张图左半部分 )和节理法向位移( 每张图右半部分 )如图5所示。

由图5可知，当采厚分别为3.5，6.5，9.5，12.5，15.5 m时，覆岩“两带”最大高度依次为38，89，111，125，138 m。由此可知：随着高强度开采工作面采厚的增加，覆岩“两带”最大高度增加，且达到覆岩“两带”最大高度时所需要的工作面推进距离也在增加。

3.2 不同倾向长度对“两带”高度的影响

根据上述模拟方案，分析不同工作面倾向长度( 180，210，240，270，300 m )对覆岩“两带”最大高度的影响，其中采动覆岩岩层垂直位移云图( 每张图左半部分 )和节理法向位移( 每张图右半部分 )如图6所示。

由图6可知，当倾向长度增加时，覆岩“两带”最大高度都为89 m。即：覆岩“两带”最大高度与高强度开采工作面的倾向长度没有明显相关关系，但达到覆岩“两带”最大高度时所需要的工作面推进距离与倾向长度成反比。这是因为高强度开采工作面的倾向长度都较大，采动覆岩破坏在倾向方向上已经达到覆岩破坏充分采动，从而采动覆岩破坏在走向上也越容易达到覆岩破坏充分采动。

3.3 不同推进速度对“两带”高度的影响

沙吉海煤矿B1003W01工作面开采速度约为5 m/d，上述模型校核为每15万步开挖15 m，近似的，模拟开采速度为7.5，10，12.5，15 m/d时分别每12.5，10，7.5与5万步开挖15 m。

图5 不同采厚对应的软弱覆岩“两带”最大高度与推进距离 Fig. 5 Maximum height of "two-zone" and advancing distance corresponding to different mining heights

图6 不同倾向长度对应的软弱覆岩“两带”最大高度与推进距离 Fig. 6 Maximum height of "two-zone" and advancing distance corresponding to different dip lengthes

图7 不同开采速度对应的软弱覆岩“两带”最大高度与推进距离 Fig. 7 Maximum height of "two-zone" and advancing distance corresponding to different advanced rates

分析上述不同开采速度对覆岩“两带”最大高度的影响，其中采动覆岩岩层垂直位移云图( 每张图左半部分 )和节理法向位移( 每张图右半部分 )如图7所示。

由图7可知，当推进速度分别为15，12.5，10，7.5，5 m/d时，覆岩“两带”最大高度都为89 m。从图6中覆岩垂直位移云图可知，随着工作面推进速度的增加，上覆岩层垮落更加剧烈( 位移云图颜色逐渐变深 )，但覆岩“两带”最大高度与高强度开采工作面的推进速度没有明显相关关系；另外，达到覆岩“两带”最大高度时所需要的工作面推进距离与推进速度成反比。

根据上述模拟结果可知：沙吉海煤矿高强度开采软弱覆岩工作面的“两带”最大高度随采厚的增加而增加，但与工作面的倾向长度、推进速度没有明显关系。就该结论进行讨论分析：现场采煤工作面属于三维空间结构，由采厚、倾向长度与走向长度组成。前人在研究中已经通过各种手段充分验证了覆岩岩性、采厚对“两带”高度影响显 著[4,12-13]。但关于工作面尺寸对“两带”高度的研究较少，部分研究已经得出[18]：随着工作面走向长度的增加( 从开切眼到推进距离最大2 000 m左右 )，“两带”高度成“台阶”形状增加，并最终达到最大值。

同理，“两带”高度随着传统开采工作面倾向长度( 50～150 m )增加，“两带”高度也会增加[18]。但就高强度开采工作面而言，倾向长度( 大于200 m )较传统工作面已经增加，在高强度开采工作面倾向长度已经达到200 m甚至更长的情况下，在倾向方向已经达到覆岩破坏充分采动[19]，因此，高强度开采软弱覆岩工作面的倾向长度对“两带”高度没有明显影响。当多个高强度开采软弱覆岩工作面相继开采时，尽管倾向长度在累计增加，但对“两带”高度影响不明显，这与各个工作面之间的煤柱也有一定的关系。笔者研究的首采工作面倾向长度已经足够大( 210 m )，在倾向方向上“两带”高度已经发育到最大值。同理，根据上述研究结果，高强度开采软弱覆岩工作面的推进速度已经足够快，对“两带”最大高度的影响也不明显。

4 结 论

( 1 ) 以沙吉海煤矿某高强度开采软弱覆岩工作面为原型，建立了三维离散元数值模型，该模型考虑了最大、最小水平主应力及其与工作面推进方向夹角，并基于现场钻孔实测数据对数值模型参数的选取进行了合理性校核。

( 2 ) 分析了不同工作面采厚、走向长度、倾向长度、开采速度对高强度开采软弱覆岩“两带”最大高度的影响，高强度开采软弱覆岩“两带”最大高度随采厚增加而增加，但与高强度开采工作面的倾向长度、推进速度没有明显关系。

( 3 ) 高强度开采软弱覆岩工作面达到其“两带”最大高度时所需的工作面推进距离与采厚呈正相关关系，与倾向长度、推进速度呈负相关关系。