马堡煤矿8206工作面“三带”高度确定

郭杉

马堡煤矿8206工作面“三带”高度确定

郭杉

本文以马堡煤矿8206工作面为背景，采用经验公式和FLAC3D数值模拟软件对8206采空区上覆岩层“三带”高度进行了研究。结果表明：8206工作面冒落带高度Hm=4.3 m～8.76 m，裂隙带高度Hli=22.17 m～36.83 m。经验公式计算结果和模拟软件计算结果基本一致，为马堡煤矿邻近层瓦斯治理工作提供了理论依据。

“三带”高度；跨落带；裂隙带；数值模拟

0 引言

伴随着采煤工作面的不断推进，上覆岩层将会发生移动和破断，并在岩层中形成离层和各种裂隙。依据覆岩破坏范围及强度，自下而上分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带[1-3]。“三带”高度的确定，特别是跨落带、裂隙带范围的确定，对于确定采煤工作面开采上限、高位瓦斯抽放钻孔终孔位置及地表移动有重要意义。长期以来，研究者针对工作面上覆岩层“三带”高度的确定已做了大量深入细致的研究[4-7]，但由于采场上覆岩层“三带”高度受地质条件的影响较大。为此，本文针对马堡矿8206工作面覆岩“三带”高度进行了理论计算和数值模拟研究，以期为马堡煤矿瓦斯治理及煤矿开采工作提供理论依据。

1 概况

马堡煤矿地处山西省武乡县东北53 km处的墨镫乡马堡村，批准开采8#、15#煤层，井田采深1 282～950 m，井田面积为12.8805 km2，矿井核定生产能力为1.50 Mt/a。8206综采面回采的煤层属于8#煤层，工作面长度为180 m，走向长度为1 140 m，煤层平均厚度2.1 m。工作面标高+920 m～+946 m，回风平巷高、运输平巷低，落差平均为26 m。直接顶为泥岩、砂质泥岩，平均厚3 m;老顶为粗、中、细粒砂岩及粉砂岩，平均厚度6.65 m;直接底为砂质泥岩，平均厚度0.70 m。现场实测8206工作面原煤瓦斯含量为7.38 m3/t。

2 8206 工作面采场覆岩裂隙“三带”高度理论计算

根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[8]，综采工作面冒落带和裂隙带高度计算见表1和表2所示。

表1 冒落带高度计算公式

表2 裂隙带高度计算公式

2.1 8206综采面冒落带高度

根据马堡煤矿地勘资料，8#煤层直接顶主要为泥岩、砂质泥岩，根据岩石力学参数测定结果，泥岩抗压强度平均27.5 MPa，因此按照中硬岩层计算：

取最大值，即8206综采工作面冒落带最大高度为8.76 m。

2.2 8206综采面裂隙带高度

根据马堡煤矿地勘资料，8#煤层老顶一般为粗、中、细粒砂岩及粉砂岩，因此可以按照中硬岩层计算：

采用表2第一种计算方法：

采用表2第二种计算方法：

取最大值，即8206综采工作面裂隙带最大高度为36.83 m。

3 8206工作面覆岩裂隙“三带”高度数值模拟分析

3.1 FLAC软件介绍

FLAC3D是美国Itasca Consulting Group

Inc研发的三维显式有限差分法程序，它可以模拟岩土或其它材料的三维力学行为。该软件采用显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能够非常准确地模拟材料塑性破坏和流动。由于无须形成刚度矩阵，因此，基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题。

3.2 模型的建立

（1）模型尺寸及岩层分布

数值模型主要研究采场上覆岩层随着工作面推进的变化特征。建模时不考虑岩层厚度及倾角变化，全部按水平岩层考虑；由于上覆7#煤层平均厚度只有0.5 m，建模时将其与上邻岩层合并。

取工作面推进方向为x轴，工作面倾斜方向为y轴，垂直方向为z轴。采用平面应变分析模型，本构关系采用摩尔-库仑准则。依据弹塑性理论和马堡煤矿8206综采工作面附近的钻孔综合柱状图，在工作面推进方向上（x轴）取200 m，工作面倾斜方向（y轴）取2 m；在z轴方向上，顶板岩层取2 m，底板岩层取6 m。计算模型的尺寸58 m×50 m×20 m，即X×Y×Z=200 m× 2 m×84.5 m。模型中各岩层厚度和物理力学参数见表3，数值模型如图1所示。

表3 模型中岩石力学参数

（2）模型边界条件

模型上部设定为应力边界，在垂直于工作面方向上自由运动，巷道埋深约为415 m，均布载荷为10.375 MPa，下部设定为位移边界条件，水平方向设定为位移边界，侧压系数设定为1.2。

（3）初始应力求解

建立模型后，进行原岩初始应力求解，模型的初始平衡状态如图2所示。

图1 岩层模型图

图2 初始平衡后的垂直应力图

3.3 模拟结果分析

通过FLAC3D直接输出采空区覆岩塑性变形区域图可以确定裂隙带的高度，通过FLAC3D后处理软件Tecplot做出采空区覆岩位移等值线图可以确定冒落带高度。本次模拟我们分别选取工作面推进40 m、60 m、80 m和100 m时的采空区上覆岩层塑性变形图和位移等值线图，来分析上覆岩层位移变化规律。

图3 推进40 m时塑形变形图

图4 推进40 m时位移等值线图

工作面推进40 m时采场覆岩塑性变形区如图3所示，由图可以得知当模型计算达到稳定后，塑性破坏区域最大高度稳定在采空区上方29 m处,而29 m以上区域为基本未受到采动影响,由此可得到裂隙带上限值约为29 m。

工作面推进40 m时位移等值线如图4所示，可以得知当模型计算达到稳定后，采空区的顶板上方6.5 m范围内，煤层顶板下沉移动量显著超过上覆岩层的下沉移动量，即在-0.9 m～-0.8 m的范围内位移等值线发生急剧变化，此外，通过工作面开挖边界得出，在工作面中后部，煤层顶板的最大下沉值为1.8 m，表明顶板岩层和底板岩层相互接触，说明顶板已经冒落，冒落带高度约6.5 m。

图5 推进60 m时塑性变形图

图6 推进60 m时位移等值线图

工作面推进60 m时采场覆岩塑性变形区如图6所示，由图可以得知模型计算达到稳定后，上覆岩层发生塑性变形或剪切破坏的最大岩层高度是32 m左右, 32 m以上区域基本未受到采动影响,由此可得裂隙带的最大上限值约为32 m。

工作面推进60 m时位移等值线如图6所示，由图可知当模型计算达到稳定后，距离煤层顶板上方7 m范围内，煤层顶板的下沉移动量显著超过上覆岩层的下沉移动量，即在-1.3 m～-1.2 m的范围内位移等值线产生急剧变化，即冒落带的高度约为7 m。

图7 推进80 m时塑形变形图

图8 推进80 m时位移等值线图

工作面推进80 m时采场覆岩塑性变形区如图7所示，由图可知当模型计算达到稳定后，塑性破坏区的最大高度稳定采场上覆岩层34 m处,而距离煤层顶板34 m以上范围基本未受到采动影响,由此可确定裂隙带的上限值约为34 m。

工作面推进80 m时位移等值线如图8所示，由图中曲线变化可知随工作面的不断推进，采空区的冒落矸石逐渐被压实，随着压实区面积的扩大，岩石碎胀系数越来越小；上覆岩层进一步下沉，其位移值越来越大；计算达到稳定后，在距离煤层顶板上方9.5 m范围内，煤层顶板的下沉移动量显著超过上覆岩层的下沉量，在-1.4 m～-1.3 m之间位移等值线发生急剧变化。即冒落带高度约9.5 m。

图9 推进100 m时塑形变形图

图10 推进100 m时位移等值线图

工作面推进100 m时采场覆岩塑性变形区如图9所示，由图可知当模型计算达到稳定后，塑性破坏区最大高度稳定在工作面上覆岩层34 m处,而在距离煤层顶板34 m以上区域为弹性变形区,由此可以确定裂隙带高度上限值约为34 m。

工作面推进100 m时位移等值线如图10所示，由图中曲线变化可知当计算达到稳定时，在距煤层顶板上方10 m的范围内，顶板下沉值显著超过覆岩下沉值，即在-1.5 m～-1.4 m间位移等值线发生剧烈变化，因此冒落带高度平均值为10 m左右。

图11 冒落带、裂隙带发育高度曲线图

“竖三带”高度发育情况如图11所示，由曲线变化可知，在外界采动影响下上覆岩层不断下沉，冒落带和裂隙带高度逐渐增大，在工作面推进约50 m后达到稳定。稳定后冒落带高度约为10 m，裂隙带高度上限值约为34 m，数值模拟的结果与经验公式计算结果基本一致。

4 结论

（1）经验公式计算得到的马堡煤矿8206综采工作面冒落带高度为8.76 m，裂隙带高度为36.83 m，

（2）数值模拟结果表明8206综采面冒落带高度为10 m和裂隙带最大高度为34 m。经验公式计算结果和数值模拟结果基本一致。

（2）数值模拟结果表明，在外界采动影响下，上覆岩层不断下沉，冒落带和裂隙带的高度逐渐增大，在工作面推进约50 m后，上覆岩层“三带”高度趋于稳定。

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"Three zones"height determination of 8206 working face in Mabao Coal Mine

GUO Shan

"Three zones"height;Caving zone;Fractured zone;Numerical simulation

TD325

B

1000-4866(2016)06-0017-06

10.19413/j.cnki.14-1117.2016.06.005

2016-11-12

郭杉，男，1986年生，现晋能集团马堡煤矿工作，通风科科长。

Abstract：In this paper,taking the 8206 working face of Mabao Coal Mine as the background,the"three zones" height are studied for the overlying rock seam of the 8206 working face by using the empirical formula and FLAC3D nu⁃merical simulation software.The results show that the caving zone height Hm of the 8206 working face is 4.3m～8.76m, the fractured zone height Hli is 22.17m～36.83m.The empirical formula calculation results and simulation software cal⁃culation results are basically identical,it provides the theoretical basis for the gas control work of adjacent seams in Ma⁃bao Coal Mine.