王森林

（晋能控股集团四台矿， 山西 大同 037016）

随着煤矿开采自动化程度及开采量的不断提高，开采活动对煤矿围岩产生了较大的采动作用，造成围岩的变形[1]，使得岩体的平衡被打破，容易产生岩层的裂隙，造成导水裂隙带的发育。导水裂隙带的产生及发育，容易引起导水通道的扩散[2]，造成煤矿工作面涌水量的增加，威胁煤矿的开采安全。煤矿开采过程中的工作面推进对围岩的变形造成影响，进而影响导水裂隙带的发育[3]，因此本文采用数值仿真分析的形式对导水裂隙带的发育规律进行分析，并对煤矿开采过程中的水质变化采取针对性举措，从而提高煤矿开采的安全性。

1 煤矿开采围岩变形分析数值模型的建立

针对煤矿开采工作面推进过程中围岩的变形对导水裂隙带的发育带来的影响，采用数值模拟的方式进行分析，通过对煤矿的地质模型进行概括，设定及分析其力学模型，从而对围岩的变形及导水裂隙带的发育进行预测展示[4]，可对煤矿的开采提供指导。FLAC3D软件是用于煤层位移及塑性变形分布分析的软件，通过显式有限差分程序进行计算，适用于对大变形问题的分析[5]，通过描述围岩的变形规律来对导水裂隙带的发育高度进行计算。

对煤矿开采中的实际工况条件进行分析，工作面的长度为620 m，倾斜长度为220 m，为消除边界效应的影响，在工作面的走向和倾斜方向上保留一定长度的煤柱，建立进行分析的工作面平面，尺寸为650 m×350 m[6]。采用FLAC3D建立工作面的地质模型如图1所示，其中，X 方向为工作面的长度方向，Y 方向为倾斜长度，Z 方向为分析模型的高度，建立模型的高度为285 m。工作面的岩层区域主要由松散层、粉砂岩层、泥岩层及煤层等组成[7]，对模型进行网格划分处理，所得到工作面的模型共147 800 个单元。

图1 工作面地质网格划分模型

对工作面的岩层区域进行参数性质设定，由于围岩地质结构的复杂性，地质材料的属性参数难以有效测定，因此对围岩的组成进行力学特性的测量，从而求得各项参数来进行求解[8]。通过对模型进行节点速度及位移的约束，可实现对模型的设定及加载。依据煤矿开采过程中的实际工况，模型的山体坡面为自有面，其位移不受限制，在模型四周及底部的面上，限制其位移和速度为零[9]。在分析过程中，用摩尔强度对脆性及塑性岩层的剪切破坏进行分析，本次分析中模型中的砂岩层及泥岩层等属于弹塑性的材料，采用Mohr-Coulomb 屈服准则对岩层的变形进行分析，从而对岩层变形进行精确地预测[10]。

模型分析过程中的初始应力对岩层的变形具有重要的影响，在工作面的重力作用下建立初始的应力分布，对煤层工作面进行开挖掘进。围岩在未开采时应力保持平衡，将模型在初始应力作用下产生的初始位移进行复位，在初始平衡状态下进行工作面的开采，设定开采的步距为20 m，开采长度为450 m[11]，对开采过程中围岩的应力、位移及塑性变形区进行仿真计算，以便对导水裂隙带的高度进行分析。

2 煤矿开采围岩变形模拟结果分析

2.1 工作面围岩应力的变化分析

工作面的围岩在未进行开采时处于应力场的平衡状态，随着煤矿开采的进行，工作面的持续推进对围岩的应力进行重构，使得围岩的应力不断变化，当围岩的应力不断增加至大于岩层的强度时，就会造成围岩的破坏。对工作面推进过程中的围岩应力进行模拟分析，不同推进长度时产生的应力分布不同[12]，以工作面推进长度为300 m 时为例，此时围岩的应力分布如图2 所示。在工作面持续推进的过程中，巷道顶板逐渐形成抛物线分布的拉应力区域，顶板内的垂向应力逐渐增加。在工作面的开切眼位置及后方存在一定的应力集中现象，此处的应力值最大。采空区的围岩应力存在明显的降低，这是由于随着煤层开采过后，采空区上部的围岩经过卸压过程，使得内部的应力释放，并向未开采的岩层形成转移，从而在低应力区域的外围形成高应力的拱形分布，围岩的应力保持平衡状态，整体呈现中间低两端高的应力分布。

图2 工作面推进300 m 时围岩的应力（Pa）分布

2.2 工作面围岩变形的变化分析

煤层开采后，随着工作面的不断推进，上覆围岩随之产生一定的变形，产生移动变形破坏，造成导水裂隙带的发育。对围岩的变形进行分析，工作面推进到450 m 时的围岩变形如图3 所示。工作面在推进过程中，在初始进行开采时，围岩的变形在采空区上方呈闭合的状态，随着开采过程的进行，围岩的变形逐渐变为不封闭的曲线形态。这是由于在煤层开采后，顶板产生了相应的向下变形，随着工作面的持续推进，围岩的变形位移量不断增加，煤层的直接顶也产生较大的下沉，在图3 中的工作面推进结束时，下沉量最大达到0.6 m，同时底板由于卸荷的存在也产生较大的底鼓变形，最大的变形量为0.1 m。在围岩变形的过程中，对导水裂隙带的发育造成一定的影响，由于导水裂隙带的发育呈现塑性变形的状态，对工作面的塑性变形区进行进一步的分析。

图3 工作面推进450 m 时围岩的变形量（m）分布

2.3 工作面围岩塑性区变形的变化分析

工作面开采推进过程中，会对围岩产生拉伸及剪切的破坏，当岩层受到的应力超出屈服强度时，会产生塑性变形，从而形成导水裂隙带的上限，而开采过程中岩层受到的双向应力均超出抗拉强度时所产生大变形时的岩层高度，即为导水裂隙带的下限。导水裂隙带在上下限之间，当产生的应变较大时，相互之间产生连通，造成导水裂隙带的发育。对工作面推进过程中的塑性变形区进行模拟，围岩首先产生剪切破坏，然后剪切破坏会逐渐延伸，塑性区的高度不断增加，经模拟分析发现，工作面推进到300 m 时塑性区的高度最大，此时的塑性区分布如图4 所示。当工作面继续推进时，塑性区的高度基本保持稳定，说明岩层的采动作用释放充分，导水裂隙带的发育高度稳定在57 m，不再随工作面的推进而增加。

图4 工作面推进300 m 时围岩的塑性区分布

3 结语

在煤矿的开采过程中，随着工作面的推进，会对围岩的应力及变形产生一定的影响，从而影响到导水裂隙带的发育，对煤矿的安全产生影响。针对导水裂隙带的发育规律进行数值分析，结果表明，在工作面推进到300 m 时，岩层经过充分的采动作用后，此时的导水裂隙带发育高度最大为57 m；随着工作面的继续推进，对岩层的变形及应力作用进一步增加，导水裂隙带的高度保持稳定。