7106 工作面水下综放开采覆岩破坏规律数值模拟研究

吴培林

（山西潞安环保能源开发股份有限公司王庄煤矿，山西 长治 046000）

我国中西部煤炭开采工作面由于开采厚度大、煤层埋藏浅、采矿地质条件简单、工作面推进速度快等特点，造成覆岩破坏剧烈，破坏高度大，导水裂隙带常与地表裂缝贯通等[1]。尤其当导水裂隙带贯通地下含水层或地表大型水体时，常常发生溃水、溃砂、超限涌水等水害事故，对矿井的安全生产和井下人员生命财产安全产生巨大的威胁。针对煤矿开采引起的导水裂隙带突水问题，我国学者早在20世纪50 年代就开展了大量的研究和实验，刘天泉院士[2]总结覆岩破坏规律，将覆岩破坏分为“三带”即冒落带、裂隙带、弯曲带，提出了“覆岩破坏学说”，钱鸣高院士[3]提出“关键层理论”。 随着钻探技术和计算机技术的发展，导水裂隙带的研究也向着多种调查方式相结合的方向发展，主要的调查方式有相似材料模拟、数值模拟、现场实测、类比法等方法[4-5]。

通过对王庄煤矿工程地质条件及岩石力学特征分析，确定工作面覆岩的宏观力学性质，采用数值模拟综合分析7106 工作面覆岩破坏规律并预测导水裂隙带高度，对指导7106 工作面水体下采煤具有重要意义。

1 工程概况及地质条件

王庄煤矿位于山西省长治市以北约 30 km。井田范围地势开阔平缓，第四系黄土全覆盖，地表水系发育，主要分布有绛河和漳泽水库。其中绛河自西向东横贯南部井田中部。根据钻孔资料和区域地质资料显示，该矿区地层包含第四系、新近系、二叠系上统上石盒子组（P2s）、二叠系上统下石盒子组（P1x）、二叠系下统山西组（P1s）、石炭系上统太原组（C3t）、石炭系中统本溪组（C2b）、奥陶系中统峰峰组（O2f）。

2 工作面概况

7106 工作面北距7105 工作面约340 m，南部为未开采实体煤，工作面东北部区域地表为绛河（图1）。工作面采深约354～414 m。7106 工作面基本呈北高南低倾向南的单斜构造，基本沿煤层走向自东向西推进，倾角约 6° ～10°。直接顶由灰黑色泥岩、砂质泥岩、细砂岩组成，有时为砂泥岩互层，平均煤厚约 6 m。采用综采放顶煤一次采全高开采工艺，全部垮落法管理顶板。

图1 7016 工作面位置关系图

3 数值模拟分析

3.1 数值模拟建立

为了预测王庄煤矿7106 工作面综放开采情况导水裂缝带发育高度，本文以拉格朗日有限差分法FLAC3D有限元程序对7106 工作面3 号煤层开采后覆岩破坏规律进行数值模拟。王庄煤矿7106 工作面三维计算模型尺寸为800 m×400 m×259 m ，x方向为模型走向方向，y 方向为模型倾向方向，z 方向为岩层厚度。

工作面沿x 方向推进，开挖宽度为200 m。整个模型由六面体网格构成，模型的前后左右分别施加了水平方向的约束，模型底部施加了垂直方向的约束，模型顶板施加0.84 MPa 覆盖层的自重应力。本次计算选用莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）本构模型来描述岩体的强度特征，整个模型由196 000 个单元和207 959 个节点组成。由于该井田的地层较为复杂，实际岩层较多，为了方便计算，将煤层视为水平煤层，并将具体的地层进行简化，厚度较小、岩石力学性质相似的岩层合为一组，一共分为7 组。为了消除边界条件对工作面的影响，在工作面的左右两侧各留出100 m 的距离，切眼处位于模型边界200 m 处。三维模型如图2。

图2 王庄煤矿7106 工作面三维模型示意图

3.2 岩石力学参数选取

模型建立过程中，依据以往地质钻孔资料以及岩石力学测试结果，从模型底部到地表共分为7 层，从上到下依次为泥岩、中粒砂岩、泥岩细砂岩互层、中细砂岩、泥岩粉砂岩互层、3 号煤层、泥岩砂泥岩互层。岩石力学参数见表1。

表1 岩石力学参数表

3.3 模拟计算方案

王庄煤矿7106 工作面主采煤层3 煤为近水平煤层，厚度约6 m。设计模拟3 煤7106 综放工作面长度200 m，采厚6 m，沿走向推进总长为200 m。工作面推进初期，每6 m 开挖一次，一共开挖10 次，此后每10 m 开挖一次，直到推进200 m 时，模拟结束。

3.4 围岩破坏场分析

煤层开挖是打破地下空间应力平衡状态，并通过应力重分布形成一个新的应力平衡状态的过程。因此，从开切眼到工作面推进就是一个不断打破围岩应力平衡状态的过程。为了充分了解7106 工作面综放开采过程中导水裂隙带发育规律，对3 煤连续回采阶段的数值模拟结果进行分析。

（1）工作面回采6 m 时，由于回采范围较小，导致破坏区范围也较小，以剪切破坏为主的导水裂隙带仅延伸到煤层上方20 m 处（图3）。

图3 开挖6 m 塑性变形云图

（2）工作面回采60 m 时，随着回采范围不断地扩大，工作面两端的集中应力也逐渐增大。根据材料力学原理，采空区上方的岩梁集中应力处为岩梁两端，当两端集中应力大于岩梁抗剪强度时，则会发生剪切破坏。从数值模拟的结果来看，塑性破坏区以剪切破坏为主，工作面回采引起的导水裂隙带最大高度为60 m（图4）。

图4 开挖60m 塑性变形云图

（3）当工作面回采130 m 时，随着工作面的不断推进，导水裂隙带将各个破坏区沟通，塑性破坏区继续扩大，导水裂隙带高度达到了120 m，“马鞍型”的覆岩破坏范围逐渐明显（图5）。

图5 开挖120 m 塑性区云图

（4）当工作面开挖190 m 时，覆岩破坏区的范围进一步扩大，导水裂隙带高度达到135 m，未延伸至覆盖层，不具备沟通地表水体的能力（图6）。

图6 开挖190 m 塑性区云图

（5）当工作面开挖200 m 时，覆岩破坏范围基本不变，导水裂隙带高度也基本不变。所以可以确定工作面回采到190 m 时，已达到充分采动，导水裂隙带发育最大高度为135 m，导水裂隙带没有沟通地表，地表水体不会对井下工作面回采产生影响（图7）。

图7 开挖200 m 塑性区云图

（6）通过数值模拟分析可知，7106 工作面煤层回采最大裂采比为22.5。

4 综放导水裂隙带实测

王庄煤矿北部6206 工作面以往布置了3 个两带观测孔k1、k2、k3，采用地面水文观测的方法实测导水裂隙带高度（表2）。

可以看出，3 号煤层综放开采导水裂隙带发育最大高度为煤层顶板之上114.87 m，综放开采裂采比为19.44～20.15。

表2 6206 工作面导水裂隙带高度观测成果表

5 结论

（1）运用FLAC3D模拟7106 工作面3 号煤层连续回采，工作面回采到190 m时，已达到充分采动，导水裂隙带发育最大高度为135 m，导通不到地表，绛河对7106 工作面不会造成威胁。

（2）对周边开采工作面导水裂隙带高度进行实测，将实测数据跟模型计算结果进行分析对比可以得出：FLAC3D模拟得出的最大裂采比为22.5，与6206 工作面的实测数据结果基本相符，验证了数值模拟结果的准确性。