1116（1）工作面导水裂隙带发育高度的数值模拟

耿民 张华兵

【摘 要】采用UDEC数值模拟软件，根据摩尔-库伦准则，结合覆岩移动、应力以及塑性区分布规律，分析了1116（1）工作面在回采中的冒落带和裂隙带的发育高度。得出冒落带的高度为13.35m，裂隙带高度为44.37m，此高度处在顶板砂、泥岩互层中，地表浅部风化砂岩之下的泥岩层具有一定的隔水性，初步认为在1116（1）工作面回采期间是安全的。

【關键词】覆岩三带；裂隙带高度；数值模拟

一、前言

在目前确定裂隙带发展高度，通常采用的方法有：理论计算、相似模拟和工程类比法，最近几年采用数值计算的方法分析裂隙带高度比较普遍。本文选用大变形UDEC软件对1116（1）工作面综采开采工艺条件进行计算机数值模拟，选择符合实际的模拟过程，分析研究预测裂隙带发展的高度，圈定出冒高、导高曲线及最大导高，以利于合理选定安全煤岩柱尺寸。

二、数值模拟

1.几何模型

建立数学力学模型是计算机数值模拟的首要任务，模型建立正确与否是能否获得符合实际计算结果的前提。1116（1）工作面巷道布置特点：煤层倾角3～10°，平均为5°，沿煤层走向方向开采，采高约为3m。根据理论计算和钻孔实测，一般在工作面煤壁附近其上覆岩层移动变形量最大，而导水裂隙也在此发育最高。故本研究采用工作面推进200m、400m、600m和800m来分析上覆岩层的运动规律。模拟岩层总厚度为120m。

2.模型范围

模型的主体范围位于顶板覆岩。为了考虑顶板、煤层及底板三者之间变形的协调性，整个几何模型的确定还包括一部分底板。模型的范围：煤层顶板以上共80m作为模型的上部，煤层底板以下37m作为下边界，自收作线和开切眼各向外扩展100m作为模型的左、右边界。

3.边界条件的选择

在模型的底界和左、右边界，采用零位移边界条件，具体处理如下：

1）模型的左右边界为水平位移约束边界，取Vx=0，Ux=0（即水平方向的速度矢量和位移均为零），即模型的左右边界为单约束边界。

2）模型的下边界在水平和竖直方向均固定，即Vx=0，Ux=0，Vy=0，Uy=0，即模型的下边界为全约束边界。

3）模型上边界为自由边界，计算模型上边界以上的覆岩自重载荷以外载荷的形式作用于上部边界上。

4.模型岩土层力学参数的选取

模型采用淮南矿业集团顾桥煤矿的井田地质条件，模型中均采用莫尔-库仑屈服准则判断岩体破坏，并且均不考虑塑性流动。

三、模拟结果分析

1.覆岩应力分析

在采动影响下，直接顶和老顶岩层均经历了“变形-离层-失稳”的过程，但老顶在各阶段持续的时间要长。

煤柱附近顶底板岩层中竖向应力为压应力，而且应力等值线密集，表明该处应力集中系数较大；采空区上方覆岩内出现一条至数条“鞍”形或“拱”形应力等值线。最大竖向应力为30MPa，应力集中系数达2.13，峰值深入煤壁10m。

2.覆岩位移分析

在该面不同回采阶段，下沉曲线的形状在各岩层内变化不大，位于顶板覆岩软弱岩层和较硬岩层下沉是基本协调的。而硬岩层下部的软弱岩层的竖向位移明显增大，这表明硬岩层对它上部的岩层的下沉起控制作用，而与下部软弱岩层会发生离层现象。

覆岩竖向移动漏斗特点：采动后覆岩最大的竖向位移位于采空区中部的上方，漏斗比较对称。

开采初期，覆岩的竖向位移较小，且超前影响范围不大，当工作面推进到距离增大时，超前影响范围与竖向位移随之增大，超前影响范围大于150m。

3.冒落裂隙高度的确定

从塑性区分布图可以看出，采后工作面覆岩内塑性区分布有四个区域，除受边界条件制约的上部、左右边界的塑性区外，影响采后覆岩裂高的主要为工作面前后煤壁上方和采空区上方的塑性区分布；综合比较各计算模型，覆岩内塑性区分布的最大高度为44.37m。工作面上部拉应力相对集中，使得塑性区范围扩大，其塑性区的分布同工作面下部基本一致。

通过UDEC程序模拟计算，根据塑性条件、破坏准则、位移及应力判别，可以方便地确定出冒落带和导水裂隙带的高度（如表2所示）。

四、结论

针对顾桥煤矿1116（1）工作面地质开采条件，建立计算模型，获得了如下一些主要认识：

1）随工作面的逐步推进，在采场中形成以开切眼处煤体为后拱脚，煤壁前方应力高峰区为前拱脚的压力拱结构，后拱脚基本不动，前拱脚随工作面的推进不断前移，拱高、拱宽存在“增大-减小-增大”的变化规律，在此拱之内的顶板岩层经历了“变形-离层-失稳”的变化过程。

2）分析比较在工作面不同回采时期的覆岩移动规律、覆岩应力分布规律、覆岩塑性区域分布规律，并进一步根据塑性条件、破坏准则、位移及应力判别，确定出冒落带和导水裂隙带的高度。

3）模型的冒落带高度约13.35m，导水裂隙带高度44.37m。

【参考文献】

[1]邹海，桂和荣，陈兆炎.导水裂隙带高度预测途径探讨[J]，中国煤田地质，1997，（2）：53～55

[2]张金才，张玉卓，刘天泉 岩体渗流与煤层底板突水[J]，北京：地质出版社，1997，31～32

[3]涂敏，刘泽功 综放开采顶板离层裂隙变化研究[J]煤炭科学技术，2004，（4）44～47