大采深大跨度综放工作面导水裂隙带数值模拟研究

韩 璐 施龙青 魏 凯

（1. 山东科技大学地球科学与工程学院，山东 青岛 266590；2. 肥城矿业集团单县能源有限责任公司，山东 菏泽 274000）

《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》[1]中给出的公式是我国煤矿现场技术人员广泛使用的导水裂隙带高度计算公式。规程中给出的导水裂隙带计算公式考虑到的因素仅是开采厚度，不够全面。而且规程中的公式使用是有采深和采厚条件限制的，即适用于采深不大的薄煤层开采工作面导水裂隙带高度的计算，或者厚度不大的煤层分层开采工作面导水裂隙带高度的计算[2-3]。目前我国多数矿井对厚煤层采用综放开采工艺，具有采深大、采厚大、工作面跨度(斜长)大的特点[4-5]。显然，采用规程中的公式计算这种开采条件下工作面导水裂隙带高度是不合理的。本文以龙固煤矿为背景，采用数值模拟方法，获得大采深大跨度综放工作面顶板导水裂隙带计算公式。

1 矿井地质概况

龙固煤矿是矿井设计能力为6.0 Mt/a的特大型矿井，开拓方式为立井开拓，采用综采放顶煤采煤法。研究区内地层走向大致呈南北向的单斜构造，发育次一级宽缓褶曲并伴有少量断层，局部地段煤系地层中有岩浆侵入，构造复杂程度中等。3煤层的直接充水含水层为顶底板砂岩裂隙水和太原组三灰岩溶裂隙水，煤层顶底板岩性以泥岩和粉砂岩为主，次为中、细砂岩，其平均厚度为7 m，属稳定～较稳定煤层，结构较简单。

2 数值模型建立

2.1 模型参数的选取

根据相关的钻孔岩石力学试验资料，及现位岩体与岩石试件的差异，3煤层顶板岩层的力学参数如表1。

表1 3煤层顶板岩层力学参数表

2.2 数值模拟模型

通过RFPA数值模拟软件，选择岩石破裂过程渗流应力耦合分析系统（Coupling System of Flow & Solid in Rock Failure Process Analysis简称F-RFPA2D），建立岩体渗流-应力-损伤耦合模型（FSD Model）。本模型基于以下基本假设：

① 岩石介质中的流体遵循Biot固结理论；

② 岩石介质是带有残余强度的弹脆性材料，其加载卸载过程的力学行为符合弹性损伤理论；

③ 损伤阈值对单元进行损伤判断采用最大拉伸强度准则和Mohr-Coulomb准则。

模型沿走向长度为220m，高为160m，共35200个单元，模型顶部为上层覆岩顶部，底端固定，假设顶底端为隔水边界。模型初始状态如图1，模型沿走向自左侧40m开始开挖，每步2m，共分70步。

图1 模型初始状态示意图

3 数值模拟结果分析

3.1 模拟结果

随着工作面的推进，导水裂隙带高度变化情况及上覆岩层破坏情况，得到模拟结果（表2）。

3.2 顶板导水裂隙带发育规律

由表2可得，随着工作面的推进，开采煤层的上覆岩层从运动发展至破坏的规律如下：

（1）在开采初始阶段，工作面推进2m时，上覆岩层尚未达到破坏强度，宏观破坏并不明显。

（2）工作面推进20m时，直接顶在重力作用下发生弯曲，岩层由受压变为受拉，出现裂隙并产生集约化，导致部分直接顶开始冒落，高度为2m，为初步来压阶段。

（3）工作面推进40m时，顶板开始破碎成大小不一的岩块向下冒落而充填采空区，冒落岩层在水平方向上失去其连续性，顶板冒落高度约为5m。

（4）工作面推进80m时，顶板破坏向上发展，岩层软弱夹层破坏明显，其附近岩层开始出现裂隙、断裂和离层等现象，导水裂隙带高度为20m。

（5）工作面推进100m时，3煤上部细砂岩层破坏严重，上覆岩层中粉砂岩与细砂岩层出现破坏。裂隙显著，顶板岩层出现块状垮落，导水裂隙带高度达到35m。

（6）工作面推进160m时，上覆岩层宏观破裂显著。上覆岩层多为软土，岩层下降高度比较明显，但破坏还未接近地表岩层。导水裂隙带高度达到67m。

（7）工作面推进220m时，煤层达到充分采动。由于岩层下沉，冒裂带上方岩层出现更大范围的塌落，此时导水裂隙带达到最大高度105m左右。

表2 导水裂隙带发育高度及上覆岩层破坏程度与推进步距关系表

3.3 顶板导水裂隙带发育高度与推进步距关系

根据表2绘制出大采深大跨度综放条件下工作面导水裂隙带高度与推进步距之间的关系曲线图2。

由图2获得导水裂隙带发育高度（h）与推进步距（C）之间的经验回归公式：

图2 大采深大跨度综放条件下工作面导水裂隙带高度与推进步距关系图

4 结论

（1）在工作面推进长度小于110m时，导水裂隙带发育较缓慢，基本上和工作面推进步距成正比关系；达到120m时，导水裂隙带发育出现一个明显的增加阶梯，即有突变增加的现象；

（2）当工作面推进跨度超过180m时，岩梁断裂呈现一个从渐变-突变-渐变-突变的过程，当工作面推进长度接近开采工作面斜长时，即达到220m时，顶板岩梁运动特别剧烈，岩梁断裂具有突变性，上覆岩层垮落；

（3）在大采深大跨度综放条件下，工作面跨度是控制导水裂隙带发育高度的最重要因素，导水裂隙带发展高度与工作面推进长度呈抛物线关系。