斜沟煤矿采动覆岩“三带”划分数值模拟研究

申晓勇 吴琼

（1.山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿，山西 吕梁 033602；2.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

煤层开采后，上覆岩层在采动的影响下将发生大面积的垮落、破断和下沉，随着工作面持续开采，会形成三带：垮落带、裂隙带及弯曲下沉带[1-2]。其中垮落带、裂隙带高度始终是煤矿安全生产重点关注的问题，及时准确获得“两带”高度，能够为确定高位钻孔终孔位置、高抽巷布置层位、开采上限、防止顶板突水等提供良好的依据[3-4]。

本文基于岩石力学参数，通过数值模拟、理论计算和现场实测，主要研究分析斜沟煤矿23107工作面覆岩裂隙发育规律，模拟出“三带”高度值，对比现场实际测定的数据，得出基于采动裂隙演化特征的模拟试验手段在综放工作面“三带”划分上是科学有效的[5]。

1 矿井概况

斜沟煤矿隶属河东煤田离柳矿区。主要开采煤层是8#、13#煤，陪采6#煤，井田南北长约22km，东西宽约4.5km，面积为88.6km2。

23107 综放工作面位于21采区回风上山北侧，西侧、北侧为实煤区，东北侧为原斜沟煤矿旧矿13号煤采空区，上部为8号煤层18103、18105、18117采空区，上部东侧为18101、18115采空区和原斜沟煤矿8号煤采空区。工作面标高为+791～+852m，地面标高为 +983～+1182m，煤层厚度为5.95～16.68m，平均13.88m，工作面整体为一走向近南北倾向西的单斜构造，倾角7.9°～9.6°，平均8.8°。可采推进长度是3400m，工作面倾斜长度是242m，采用全部垮落法管理采空区顶板，采用单一走向长壁采煤法、低位综采放顶煤工艺。煤层顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板情况表

图1 岩层柱状图

2 理论计算

岩层柱状图如图1所示，从岩层柱状图得到，13#煤层厚度是13.88m，顶板类型为细粒砂岩和泥岩，属于中硬岩层。一直以来，通常采用《“三下”采煤规程》中提供的经验公式来划分覆岩“两带”。当煤层上覆岩层为中硬岩层时，综放开采时“两带”高度的公式未列入在《“三下”采煤规程》中，通常依据厚煤层分层开采的经验公式计算。

垮落带高度：

导水裂隙带高度：

式中：

∑M-累计采厚，m。

将基础数据带入，计算得到13#煤层垮落带高度为14.28～18.68m，导水裂隙带高度为48.18～59.38m。

由于综放工作面采高较大，覆岩“两带”发育高度将会大于分层开采条件，此时分层开采公式已不再适用。通过采用以下公式来计算综放面覆岩为中硬条件时“两带”高度：

垮落带高度：

导水裂隙带高度：

式中：

M-采厚，m；

±-中误差。

计算得到垮落带高度为48.84～58.26m，导水裂隙带高度为120.84～143.82m。

3 23107采场覆岩裂隙演化数值模拟

3.1 模型的建立

依据23107工作面具体情况，建立数值模型，应用平面应变模型，模型长×高是400m×264m。模型共计26400个单元，在垂直方向有132个单元，在水平方向有200个单元。数值模拟时，将性质相近的岩层进行合并，把强度较小的薄弱层加入岩层间，作为层理研究。借助RFPA的自重模式开展计算，数值模型如图2所示。

图2 建立模型

3.2 计算方案

通过RFPA系统的自动开挖功能，设置23107工作面数值模拟时每步10m开挖一次，累计连续开挖30步，合计开采300m。

3.3 模拟结果分析

当工作面推进37m时，顶板岩层出现破裂，继续推进时，直接顶裂隙逐渐发展，相继发生破坏，破断的岩体铰接相连，顶板的垮落呈不规则性。当工作面推进54m时，初次来压到来，这时垮落带高度是36.84m；工作面不断推进中，在重力影响下老顶发生弯曲下沉，开采到72m时，老顶产生显著的离层现象，第二次来压发生，随着老顶不断垮落，工作面前方的压应力显著减小，就产生十分明显的覆岩“两带”特征，这时垮落带高度是39.75m，裂隙带发育的高度为64.72m。裂隙演化示意图如图3所示。

图3 裂隙演化示意图

当23107工作面开采134m后，覆岩“两带”高度基本稳定不变，裂隙发育完全，这时垮落带高度是51.47m，裂隙带高度是108.56m，数值模拟与现场实测、理论计算基本吻合。

4 顶板岩层裂隙现场实测

为了得到斜沟煤矿综放开采条件下采场裂隙带发育高度及演化特征，进而准确划分出“三带”高度，在23107工作面材料巷1700m处（距离工作面100m）施工三个顶板岩层裂隙观测孔，以观察裂隙发育情况。设计23107工作面观测孔的长度为80m，倾角分别为40°、45°、50°，钻孔的终孔地点距离23107工作面顶板分别为51.42m、56.57m、61.28m。借助CXK6矿用本安型钻孔成像仪来观察各观测孔在未开采时和开采后的覆岩裂隙发育情况，同时做好裂隙出现异常区的地点。

当23107工作面开采到距离观测孔25m以上时定为未开采地点，当工作面开采到距离工作面最多8m时定为开采后地点。通过分析钻孔横向和纵向裂隙、裂缝的发展规律，观察结果证明采后的裂隙显著多于采前的，采后裂隙裂缝发育扩展程度较高，观测结果可靠。

各个观测孔未开采时和开采后覆岩裂隙最密集区域距离23107工作面顶板的垂距见表2。由表2得到，未开采时1#、2#、3#观测孔覆岩裂隙发育密集区在距煤层的垂距分别为48.62～49.54m、48.73～49.98m、48.31～49.88m，采后在距13#煤顶板垂高为49.87～50.94m、49.73～50.82m、49.59～50.67m处是裂隙密集区。实测结果证明23107工作面上覆岩层裂隙最为发育位置是在距工作面顶板垂距为48.31～50.67m处。

表2 上覆岩层裂缝裂隙发育情况

对比垮落带的计算结果，可以发现对于采用综采放顶煤的采煤工艺，采用《规程》计算结果明显偏小，通过经验公式得到三带的高度虽稍有偏大，但基本与探测孔实测情况相符合，适合现场计算综放面采场覆岩“两带”高度。

5 结论

（1）通过数值模拟和窥视仪现场实测方法，研究了煤层开采后覆岩在采动影响下纵横向裂隙的分布、发育及相互贯通规律，此方法具有互补性、可靠性，可作为精准界定“三带”高度的有效方法。

（2）通过理论计算、现场实测和数值模拟，得到斜沟煤矿23107工作面垮落带高度是48.31～50.67m，断裂带高度是50.67～108.56m，理论计算、现场实测结果与数值模拟结果基本一致；验证了RFPA模拟方法是采动覆岩“两带”高度研究的有效手段。

（3）通过研究采场覆岩的运动演化规律，进而准确地得到三带高度，为工作面高位钻孔的钻场布置、采空区瓦斯治理提供科学的依据，确保矿井安全生产。