基于FLAC3D煤层导水裂隙带高度研究

罗 辉

(河南理工大学 安全科学与工程学院,河南 焦作 454000)

矿井在采掘过程中，煤层工作面覆岩原岩应力平衡会被打破，覆岩会受其影响而被破坏，下沉、垮落，采掘完后工作面垂直上方会形成“三带”，即垮落带、裂隙带和弯曲变形带。其中，裂隙带高度的上限称为导水裂隙带发育高度。工作面上方形成的导水裂隙带是矿井煤层防治水、工作面采空区瓦斯治理等多方面设计的研究基础。为此，许多学者对其进行了研究。许家林等[1]提出了通过覆岩关键层位置预测导水裂隙带发育高度的方法，并且在补连塔和祁东煤矿进行了现场实测。范志杰等[2]以新登煤矿为工程背景，采用了钻孔漏矢量法和电视成像仪进行了现场实测，并且其结果与物理相似模拟实验结果相吻合。黄丹等[3]以空隙量守恒理论为研究基础，提出了裂隙带发育高度新的预测模型。吴改梅等[4]以FLAC3D为基础研究了缓倾斜煤层工作面走向和倾向方向上的塑性区变化情况。来兴平等[5]采用现场实测、物理相似模拟研究及数值模拟的方法综合研究了厚松散层下三软煤层工作面上覆岩层导水裂隙带发育高度，并且采用数学分析的方法得到了导水裂隙带发育高度经验公式。寻博辉等[6]以华宁煤矿为背景，运用APSO-LSSVR 模型预测了该煤矿的导水裂隙带高度，并且将结果与现场实测相比较，误差较小。冯学文等[7]以恒昇煤矿为现场背景，采用分布式光纤检测法导水裂隙带发育高度进行了现场实测，并且进了FLAC3D数值仿真模拟，得到了导水裂隙带发育高度为58 m.

本文先运用经验公式计算出裂隙带发育高度，然后再采用FLAC3D数值模拟工作面推进过程中导水裂隙带的发育特征，研究结果对其它煤矿有参考作用。

1 理论计算

1.1 工作面概况

某矿15工作面倾向以风巷和机巷的外轮廓线为边界，走向以停采线和切眼为边界。机巷设计总工程量为487 m，风巷设计总工程量为489 m，煤层倾角15～25°，平均20°，煤层厚度0～2 m，平均1.2 m，采面西部煤层赋存较东部稍厚，煤层结构属简单类型。埋深接近800 m，煤层直接顶为砂质泥岩，厚5 m；基本顶为砂岩，厚19 m；煤层直接底为泥岩，厚5 m；基本底为砂质泥岩、细砂岩，厚9 m.

1.2 经验公式计算

本工作面的上覆岩层类型为中硬岩层，因此应采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的以下公式进行计算：

(1)

(2)

(3)

式中:Hk为跨落带高度，m；Hl为裂隙带高度，m； ∑M为累计采厚，m.因此，由公式(1)可得到垮落带高度为2.67～7.07 m，由公式(2)可得到裂隙带高度为16.14～27.34 m，由公式(3)可得到裂隙带高度为31.9 m.综合公式(2)和(3)预测导水裂隙带高度在16.14～31.9 m范围内。

2 数值模拟分析

2.1 建立模型

为了探明导水裂隙带在工作面推进过程中的发育情况，根据该工作面的基本岩性特征建立了FLAC3D数值模型，如图1所示。该数值模型长为400 m、宽为300 m、高为170 m，将工作面推进方向设置为x方向，也是工作面走向方向，工作面倾向为y方向，重力方向是z方向(向上为正)。本次模拟采用Mohr-Column模型进行计算。根据各层岩性不同，该模型共分为7个岩层，倾角为20°.模型的前后左右与底部边界设为固定位移边界，顶部采用应力约束，该模型距离地表约650 m，顶部边界施加16.25 MPa的等效载荷，煤层物理学参数见表1.

表1 岩层物理力学参数

图1 模型结构图

本次模拟延着工作面走向开挖，以10 m为步距，总共开挖200 m，顶板采用自由垮落的方式。

2.2 结果分析

1) 塑性区模拟结果分析。工作面开采后采空区上覆岩层产生拉伸和剪切破坏，破坏了弹性平衡的原始状态，使得上覆岩层自上而下形成5个区域，依次是弹性区、塑性破坏区、拉张裂隙区、拉张破坏区和局部拉张区。将岩层应力超过屈服强度或抗剪强度而开始发生塑性变形或剪切破坏的岩层高度形成裂隙带的上限，而将岩层双向拉应力都超过了抗拉强度而开始发生大变形的岩层高度确定为裂隙带的下限[9]。

如图2所示，工作面推进到40 m时，顶板塑性区高达6.9 m，首次出现“马鞍形”；当工作面推进到160 m时，拉伸破坏范围增大，覆岩裂隙发育更明显，塑性区达到19.4 m；当工作面推进到200 m时，此时顶板塑性区破坏高度向上发展幅度很小, 破坏范围为20.2 m.综上，工作面回采后采空区覆岩破坏高度为20.2 m.

图2 塑性区变化情况

2) 应力场模拟结果分析。与塑性区相对照，工作面覆岩顶板应力云图拉应力区和压应力区[10]，裂隙带是位于弯曲下沉带和垮落带之间的，裂隙带上部表现为来自弯曲下沉带的压应力，而在下部表现为来自垮落带的拉应力。从图3可以看出，塑性区破坏范围的拉压应力随着工作面的推进在不断变化。当工作面推进到40 m时，工作面顶板拉应力达到0.5 MPa；当工作面推进到160 m时，顶板拉应力达到1.5MPa；工作面推进到200 m时，顶板拉应力变化范围较小，达到了1.67 MPa.

图3 覆岩应力场变化情况

综上所述，根据对覆岩塑性区和应力场变化情况分析，导水裂隙带的高度为20.2 m.

3 结 语

1) 根据理论计算公式得到导水裂隙带高度的范围是16.14～31.9 m.

2) 运用FLAC3D数值模拟软件对15工作面上覆岩层导水裂隙带发育高度进行了拟真模拟，得到其高度为20.2 m，其结果与理论计算结果相符。

3) 根据塑性区分布显示，工作面推进到160 m时，上覆岩层已被充分扰动，导水裂隙带发育高度基本保持稳定。