海湾煤矿“两带”发育高度数值模拟计算

摘 要：【目的】研究海湾煤矿42211工作面顶板垮落带及导水裂隙带的发育规律，探查其对工作面回采的影响范围。【方法】在经验公式推导计算的基础上，运用FLAC3D数值模拟软件，模拟不同推进距离下垂直应力分布和拉应力场分布下的覆岩“两带”高度变化规律。【结果】通过FLAC3D数值模拟得出42211工作面的“两带”发育高度。【结论】数值模拟结果和经验公式的计算结果接近，研究成果可以为此类工作面实测“两带”发育高度提供参考。

关键词：顶板；FLAC3D；“两带”发育高度；数值模拟

中图分类号：TD327.2" " 文献标志码：A" " "文章编号：1003-5168（2024）09-0039-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.09.008

Numerical Simulation Calculation of \"Two Zones\" Development Height in Haiwan Coal Mine

WANG Tao1 BAI Yunpeng1 LI Bin2

（1.Shenfu Econo Mic Development Zone Haiwan Coal Mine Co.， Ltd.， Shenmu 719300，China;

2.CCTEG Chongqing Research Institute，Chongqing 400039，China）

Abstract： [Purposes] The development law of roof caving zone and water flowing fractured zone in 42211 working face of Haiwan Coal Mine is studied， and its influence range on working face mining is explored.[Methods] Based on the derivation and calculation of empirical formula， FLAC3D numerical simulation software was used to simulate the height variation of \"two zones\" of overlying strata under vertical stress distribution and tensile stress field distribution at different advancing distances.[Findings] Through FLAC3D numerical simulation， the development height of \"two zones\" in 42211 working face was obtained.[Conclusions] The results of numerical simulation are close to those of empirical formula， which can provide reference and research methods for the measured development height of ' two zones ' in this kind of working face.

Keywords： roof; FLAC3D; developmental height of \"two zones\"; numerical simulation

0 引言

海湾煤矿采用走向长壁综合机械化采煤法开采4-2煤层，顶板管理方式为全部垮落法，上覆采空区至地表覆岩破坏范围逐渐扩大，破坏程度逐渐减弱，自下而上分别为垮落带、裂隙带和弯曲下沉带［1-2］。垮落带和裂隙带可以一起统称为冒裂带或导水裂隙带，而这部分的高度是指其最高点到回采上边界的垂直距离。导水裂隙带因为局部破坏导致地下岩体内的水、瓦斯和泥沙涌入井下采空区和巷道，会导致涌水、突泥、瓦斯积聚等灾害，对煤矿安全生产造成一定影响［3-5］，因此有必要对“两带”发育高度进行计算研究，从而指导生产。

目前“两带”高度测算广泛使用的方法有经验公式推导测算［6］、软件数值模拟计算［7-8］、仪器井下现场实测［9-12］等。相较于井下现场实测相关数据，数值模拟效率更高，所取得的数据可以为井下实测工作提供参考。

1 工程背景

海湾煤矿42211综采工作面为正在开采的工作面，位于4-2煤辅助运输巷以东，工作面呈东西方向布置，其北部为42213工作面，南部为42209综采工作面，东部切眼位置靠近大湾煤矿井田边界保安煤柱，西部为4-2煤三条主要巷道。工作面采用单一走向长壁采煤法开采，工艺方式为综合机械化一次采全高采煤，顶板管理方法为全部垮落法。根据煤矿前期的地质勘探信息，4-2煤层赋存条件简单，顶板以细粒砂岩为主，夹有薄层状粉砂质泥岩层，属于中等坚硬顶板，底板以粉砂岩为主。

2 “两带”发育高度经验公式计算

42211工作面采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中给出的经验公式计算“两带”发育高度［13］，具体见式（1）和式（2）。

[Hm=100M4.7M+19±2.2]" " " （1）

[HIi=100M1.6M+3.6±5.6]" " " （2）

42211工作面采高实测为2.05 m，取中等坚硬顶板的经验公式（1）和公式（2）计算可得，回采后形成的垮落带高度为4.96～9.36 m，导水裂隙带高度为24.2～35.4 m。

3 FLAC3D数值模拟

3.1 模型建立

FLAC3D数值模拟方法在现代岩土工程科学研究领域具有非常广泛的应用［14］。该方法首先模拟实际研究对象的物理力学性质和边界条件建立一组模型，然后计算该模型破坏过程，或者预测破坏趋势，从而反映实际研究对象的特征。海湾煤矿42211工作面利用FLAC3D有限差分程序，对开采造成的覆岩破坏规律进行分析，确定导水裂隙带的发育高度。

海湾煤矿42211工作面平均埋深为130 m，开采高度实测2.05 m。顶板以细粒砂岩为主，夹有薄层状粉砂质泥岩层，底板为粉砂岩。通过分析工作面地质勘探资料、煤层赋存条件和顶底板钻孔勘察信息，数值模拟计算的模型使用FLAC3D有限差分软件建立，设定X方向为工作面推进方向，Y方向为工作面长度，Z方向为埋深，按煤层赋存情况与岩层结构等实际地质条件建立一个长×宽×高为160 m×128 m×70.85 m的模型，共构建了600 000个单元，构建网络节点1 231 200个。在Z方向（即工作面上方）模拟构建的岩层厚度为64.8 m，其他岩层（65.2 m）产生的重力采用垂向载荷的形式在模型上边界进行添加，设定此处添加的载荷为1.63 MPa。数值模拟构建的计算模型如图1所示。

本研究在构建的模型底板边界施加垂直（Z方向）位移约束条件，同时在顶板边界施加均布垂向载荷，然后在X方向施加一组水平位移方向的约束条件，用来约束边界水平方向的位移，Y方向同理施加约束条件，整个的模型破坏准则选择Mohr-Coulomb准则。

3.2 数值模拟结果分析

模拟42211工作面在开采过程中的覆岩变形破坏规律，计算上覆岩层导水裂隙带的发育高度并通过计算来分析采场围岩破坏的原因。为了评估42211工作面的安全开采情况，对建立的模型分别进行垂直应力场和拉应力场情况分析。

3.2.1 垂直应力场分析。不同推进距离垂直应力分布如图2所示。由图2可知，当工作面推进不同距离时，其垂直应力分布有所不同。随着工作面推进距离的增加，采场覆岩垂直压力呈现中间低、煤壁两端高的特点，其原因是工作面在推进过程中，工作面中部顶板来压，以及工作面上、下端头来压，工作面上覆岩层稳定过程中，采场中部顶板逐渐垮落下沉，应力释放致使顶板垂直应力降低，在应力重新分布稳定过程中，覆岩形成稳定的三铰拱承载结构，煤壁处作为支撑点支撑上覆岩层。综上所述，煤壁处压力较高，将形成应力集中。在工作面推进距离不断增加的情况下，位于中部顶板的压力将逐渐减小，随之导致煤壁处的支承压力呈增大趋势。

3.2.2 拉应力场分析。工作面回采完成后，上覆岩层的弯曲下沉会导致岩层内裂隙形成发育，最终产生导水裂隙带，因此通过研究工作面上覆岩层的拉应力分布规律，进而可推导该岩层内导水裂隙带的发育高度，工作面每推进20 m产生的拉应力分布范围如图3所示。

由图3可知，随着工作面距离的不断推进，上覆岩层中所形成拉应力区域逐渐上升扩大，这就说明了工作面导水裂隙带的发育高度也是逐渐上升的。这就说明工作面导水裂隙带的发育高度也是逐渐上升扩大的。工作面推进距离为20 m时，拉应力区域高度为8.4 m，即表示此刻的导水裂隙带高度为8.4 m；工作面推进距离为40 m时，导水裂隙带（拉应力区域）高度为13.7 m，比在20 m时的高度增加5.3 m，增加了63.1%；工作面推进距离为60 m时，导水裂隙带（拉应力区域）高度为33.8 m，比40 m时高度增加20.1 m，增加了146.7%；工作面推进距离为80 m时，导水裂隙带（拉应力区域）高度为35.7 m，比60 m时的高度增加1.9 m，增加了5.6%；工作面推进距离为100 m时，高度仍为35.7 m，没有继续增加，说明此时导水裂隙带高度达到极限，不再随着工作面的推进距离增加而上升，亦可以说明42211工作面回采后形成的导水裂隙带高度为35.7 m。还可以看出，垮落带的最大高度为9.5 m，与经验公式计算的最大值接近，在实际生产过程中工作面“两带”发育高度一般取最大值作为参考依据，因此数值模拟结果可以作为实测数据的参考依据之一。

4 结论

① 通过经验公式计算得出42211工作面回采后形成的垮落带高度为4.96～9.36 m，导水裂隙带高度为24.2～35.4 m。

② 采用FLAC3D数值模拟方法分析了42211工作面上覆岩层的垂直应力场和拉应力场，通过研究其变形破坏规律，间接得到42211工作面的导水裂隙带高度为35.7 m，垮落带高度为9.5 m。

③采用FLAC3D数值模拟得到的工作面导水裂隙带和垮落带发育高度与经验公式计算得到的高度接近，可以为实测工作面“两带”发育高度提供参考和指导。

参考文献：

［1］杜计平，孟宪锐.采矿学［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2015.

［2］王志强，李鹏飞，王磊，等.再论采场“三带”的划分方法及工程应用［J］.煤炭学报，2013，38（S2）：287-293.

［3］张国斌.顶板探放水在工作面生产中的应用实践［J］.煤炭与化工，2021，44（7）：65-67，71.

［4］刘栓栓.天山山前冲洪积含水层下近距离特厚煤层重复开采上限研究［D］.徐州：中国矿业大学，2022.

［5］刘海涛，张帆.霍州煤电晋北矿区隐蔽致灾地质因素及防治措施［J］.山西煤炭，2021，41（3）：109-115.

［6］武强，赵苏启，董书宁，等.煤矿防治水手册［M］.北京：煤炭工业出版社，2013.

［7］郝钢，于鼎豪，徐营，等.和善煤矿“两带”高度数值模拟及实测研究［J］.煤矿安全，2023，54（9）：174-179.

［8］魏世荣，赵延林，戚春前，等.多煤层开采导水裂隙带发育与覆岩破坏高度规律［J］.湖南科技大学学报（自然科学版），2022，37（2）：18-26.

［9］胡雪墩.分析计算与钻孔成像确定工作面顶板“两带”高度［J］.江西煤炭科技，2022（3）：122-124.

［10］谭海亮，李七明.光纤传感技术在覆岩“两带”高度探测中的应用［J］.中国煤炭地质，2019，31（5）：60-65.

［11］李奇，秦玉金，高中宁.基于BP神经网络的覆岩“两带”高度预测研究［J］.煤炭科学技术，2021，49（8）：53-59.

［12］李新旺，温学君，代卫林，等.大埋深倾斜厚煤层下导水裂隙带发育高度的微震监测［J］.中国科技论文，2023，18（5）：526-533.

［13］国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程［M］.北京：煤炭工业出版社，2000.

［14］孙中光，苟怡，林引，等.察哈素煤矿大采高综采面煤柱优化设计［J］.能源与环保，2017（1）：35-38.