综采工作面覆岩“两带”发育高度数值模拟研究

邓燕华

(山西阳煤寺家庄煤业有限责任公司，山西 晋中 045300)

采动覆岩中形成的垮落带、裂隙带、弯曲带简称为 “上三带”[1-4]。垮落带高度的确定是了解“三带”分布范围的关键[5-7]。裂隙带和垮落带一起被称为导水裂隙带，导水裂隙带的确定是进行水体下采煤的关键。对覆岩发育高度的研究是解决瓦斯和突水事故的有效途径[8]。

目前，我国普遍采用综合机械化的技术开采煤层，而综采过程中，覆岩运动具有隐秘性，同时是一个动态的、复杂的过程，而数值模拟可以很直观地观测到综采过程中的覆岩变化特征，是深入研究覆岩变化特征的手段之一，对于煤矿安全生产具有重要意义[9-10]。

本文采用数值模拟的方法对综采工作面回采过程中“两带”发育高度进行模拟。

1 工程概况

山西寺家庄煤矿生产能力500万t/a，主采15号煤层，煤层平均厚度5.67 m，近水平煤层，以15115综采工作面为试验面，煤层厚度5.8 m，走向长度为3 761 m，倾向长度为275 m，采用综合机械化走向长壁后退式一次采全高采煤工艺。

2 数值模拟研究

2.1 模型建立

为了准确掌握回采期间采空区覆岩“两带”发育特征，将综采面回采过程简化设计成二维模型，模型的厚度相对于宽与高均较小。

2.1.1 单元划分

根据15115综采工作面覆岩特性，将岩层分成若干块体(见图1)，每一块体可通过有限元形成变形体，根据试验目的、计算机载荷、计算精度等原因，将近煤层围岩划为密集块体，远煤层围岩划为稀疏块体，块体单元划分如图2所示。

图1 UDEC数值模拟模型

图2 块体单元

2.1.2 边界条件

模型边界条件如图3所示。模型前后左右4个侧面为单约束边界,底部为全约束边界。载荷条件根据模型深度将原岩重力作用于上部。

图3 模型边界条件

2.1.3 力学参数

覆岩柱状岩性特征如表1所示，力学参数如表2所示。

表1 围岩特性

表2 岩石物理力学参数

2.2 模拟结果及分析

覆岩模拟结果如图4所示。

2.2.1 覆岩“两带”发育规律分析

由图4可知，工作面推进至40 m时，直接顶开始垮落，垮落高度为6～8 m；推进距离50 m时，垮落带高度达到15～17 m；推进距离80 m时，随着采空区中部被压实，垮落带高度不再向上发展，此时垮落带高度达到最大值30.8 m；工作面推进到110 m时，上覆围岩一定区域出现裂隙；工作面推进到160 m时，裂隙闭合，裂隙带高度为66.4 m，覆岩不再随着工作面推进而继续移动破断。因此3号煤层垮落带与裂隙带发育高度分别为30.8 m和66.4 m。

2.2.2 覆岩位移变化规律

为了细致分析覆岩变形特征，在工作面布置3个位移测量点，位移曲线如图5所示。

由图5可知，随工作面的不断推进，在采动影响下覆岩的内应力不断发生变化，围岩自上而下形成“三带”，其变化曲线呈不对称分布。由于覆岩不同部位的各向异性，覆岩的运动是不同步的，随着工作面的不断推进，覆岩破坏高度逐渐上升，整个覆岩运动是一个动态的、持续的发展过程。

2.2.3 覆岩应力变化规律

开采过程中,在工作面布置应力测量点，记录工作面推进50 m、100 m、160 m时，上覆岩层的应力变化特征，并形成图6所示的应力变化曲线。

图6 不同推进距离下应力分布曲线图

由图6可知，在工作面推进过程中，不同推进距离下，上覆岩层的应力沿工作面倾向先增大后减小，呈现增加—减小—稳定的变化特征，工作面推进50 m、100 m、160 m时，应力峰值分别为10 MPa、9 MPa、8 MPa，并都出现在工作面中部。

2.2.4 覆岩破断裂隙发生、发展规律分析

对采动过程中覆岩裂隙进行研究，裂隙分布如图7所示。

图7 煤岩体裂隙分布

从切眼开口到顶板初次来压，覆岩由弹性变形过渡到塑性变形，随着工作面的推进，覆岩破裂失稳直至裂纹出现，裂纹数量随着工作面的推进而增加。随着工作面的继续推进，覆岩不断垮落，裂隙向高层位发展，当推进到某一距离后，采空区被压实，裂隙数量迅速减少。

3 结 语

采用UDEC数值模拟软件对综采开采过程中覆岩发育特征进行了研究，得出以下结论：

1) 采动后垮落带发育高度为30.8 m，裂隙带发育高度为66.4 m。

2) 覆岩的整个运动是一个动态的、连续的发育过程。

3) 应力呈现增加—减小—稳定的变化特征。