王敬威,王静利,吴诗勇,陈贵祥,张代波,张 壹

（1.安徽理工大学 地球与环境学院,安徽 淮南232001; 2.艾亭中心学校,安徽 阜阳236014）

1 引言

经济发展对煤炭资源需求越来越大, 无水体和建筑物影响的煤炭资源愈趋匮乏, 开采水体下（包括含水层下）、建筑物下的煤炭资源势在必行[1]。以往为保障生产安全, 留设了大尺寸的防水煤（岩）柱, 使我国煤炭资源造成极了大浪费费。目前越来越多的煤炭科学者正在研究如何在保障安全的前提下, 尽量提高开采上限, 以解决能源浪费问题。而判断导水裂隙带发育高度正是开采上线和保水开挖工作是否能顺利地实施关键[2]。目前，确定导水裂隙带高度的方法主要有经验公式计算、相似材料模拟、现场测试以及数值模拟等方法[3-5]。 本文将采用拉格朗日差分方法预测刘庄矿东一采区3-1煤层导水裂隙高度，为矿井突水预测、制订矿井水害防治决策和安全开采提供重要理论参考。

2 地质概况

刘庄煤矿东一采区位于刘庄井田中部，矿井开拓一水平之上。采区东西长为864～942米，南北长为2382～2524米，面积约为2.02平方公里。工作面开采13-1煤层，煤层稳定小构造发育程度一般，煤层有增厚变薄等现象，受地质构造及沉积环境影响，煤层最薄0.2m，最厚达4.5m。断面右倾3～5°，煤层剖面倾角11～13°。工作面较简单，直接顶、直接底均为泥岩。工作面走向长1786m，工作面长度248m，工作面采高3000～4300m。

3 导水裂隙带高的经验公式预计

导水裂隙带高度预计是煤矿水体下采煤设计和保水采煤的基础和前提[6]。目前，我国应用最为普遍的导水裂隙带高度预计方法为：建筑物"水体"铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程中推荐的统计经验公式，它是在大量实测基础上统计得到计算导水裂隙带高度的经验公式，在一定程度上满足了我国煤矿水体下采煤设计的要求[7-8]。是纯数学预计方法。根据刘庄矿顶板覆岩类型，计算开采后的导水裂隙带发育高度公式[9-10]3-1。

4 基本模型的确定

4.1 地质模型的建立原则

工作面开采将引起很大范围的岩层产生破裂、垮落、移动和变形，这个范围比开采本身的范围大得多，建立的模型将很大，大量的模拟结果表明，这样处理没有必要。从对模拟结果的要求来看，模型的建立需要满足以下条件：

（1）模型数据：几何特征，地质构造位置，材料特性，初始条件，外部载荷；

（2）模型边界：模型尺寸大幅度地减小，边界条件易确定，模型处理简便易行，模型范围给模拟结果带来的误差较小；

（3）计算过程：模型计算时间要适当，有足够的监测位置；能保存模型运行的中间状态。

根据首采区13-1煤顶板钻孔资料及岩土试验报告建立了三维数值模型，其特点如下：开采方向沿煤层走向开采，计算模型的走向长为270m，倾向宽y为210m，煤层厚度取4.5m，13-1煤深度取自本矿-700m水平，角度为11°，模型高为175m。为消除左右边界的边界效应，将采空区放置在模型的中间。建立的模型由15120个块体，17052个节点组成。采空区采用零单元模拟。地质模型见图1。

图1 地质模型

4.2 屈服准则及力学参数的确定

计算采用莫尔-库仑(Mohr-coulomb)屈服准则,其表达式4-1。

根据现场取样测得的部分岩石力学试验结果，以及综合柱状图，选取各岩层和煤层的物理力学参数，见表1：

表1 岩体物理学学参数

4.3 模拟结果分析

4.3.1 顶板分布动应力特征

工作面上方岩体应力分布具体如图 2所示。由于受采动影响，顶板岩体移动变形，致使煤层上部及周围岩体应力重分布，在工作面前方煤体及其上部岩体内形成支承压力区，而在采空区上部岩体内形成减压区，其中最大压力达到28MPa以上。采场上方岩层的重量荷载主要由前方的煤体和采空区后方煤岩体承担，起了支承座的作用，即以两个拱脚为支点，因而，整体上就在采空区上方主应力分布呈现“拱形”，并出现图中拉应力压应力集中和压应力降低等应力传递转移的现象[11]。

图2 回采后走向剖面垂直应力云图

4.3.2 顶板采动位移变化特征

煤层回采过程中，随着工作面的推进，应力分布情况是不断变化的，充分采动区、支撑区、最大弯曲区在受应力作用不断变化基础上也是变化的。因而顶板岩体在应力作用下其位移大小和方向也是不同的。图3在模拟开挖时对煤层上方顶板岩体中距煤层某一距离的点进行监控而得到的位移变化图。

图3 工作面推进顶板某点岩体移进监测图

由图3可以看出在开挖之初且没有开采到该点下方的煤层时，该点受拉应力作用上移（坐标图中0.0线以上的值为正值）。随着开挖的进行，当开挖至该点下方煤层继而该点下方煤层回采后成为采空区时，该点下移的值逐渐增大并随着垮落的岩体被压实而最终停止下移。

4.3.3 覆岩破坏特征

煤层开采完毕后，上覆岩层自上而下可以分为5 个区，即弹性区、塑性破坏区、拉张裂隙区、拉张破坏区和局部拉张区[12]。可将岩层因应力超过了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定为裂隙带的上限，而将岩层双向拉力都超过了抗拉强度而开始发生大变形的岩层高度定为裂隙带的下限[13]。根据上述采场顶板主应力分区现象，通过FLAC3D程序模拟计算，可以方便地确定出当工作面推进分别为25、50、75和100m时的冒落带和导水裂缝带的高度，具体见图4和图5。

图4 工作面推进50m时走向剖面垂直应力云图

图5 工作面推进50m时 走向剖面垂直应力云图

从图4与图5可方便的看出，工作面推进不同时的冒落带和裂隙带高度的不同值。且由模拟结果可知：工作面推进25m时，顶板破坏最大高度为36.4m。工作面图3显示，当工作面向前推进至50m时，在开采后形成的采空区上部岩层破坏高度相对较小，顶板岩层基本上为拉剪混合破坏，顶板破坏高度约为53,2m。当工作面推进75m时，顶板岩层破坏最大高度55m。工作面图4示的是当工作面向前推进至100m时，顶板岩层的最大破坏高度度为57m。 可知，当工作面推进到50m以后，顶板的岩层破坏高度稍增加，且破坏的范围也在稍增大。

5 结论

（1）通过采动过程顶板岩层位移的监测，顶板岩体位移随距煤层的距离越大，顶板下移的最终值越小，最终趋于不变。

（2）随着工作面的推进，覆岩遭受破坏高度和范围都在扩大，推进至50m时最大破坏高度达到53.2m，但当工作面推进到50m以后，顶板的岩层破坏高度也增加较小，同时破坏的范围在扩张速度也较缓慢。

（3）通过对经验公式得知：预计刘庄矿东一采区导水裂隙带高度值为36.07～47.27m。用FLAC3D软件数值模拟出导水裂隙带高度最大值约为57m。说明经验公式对煤矿的生产实践具体指导意义不强。

（4）研究了工作面长度、采高对首采面导水裂隙带高度的影响，其他因素如采空面积、开采时间、大面积开采、埋深、区段煤柱宽度等的影响规律，还有待进一步研究。

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