载荷作用下“两带”发育高度规律研究

阚雪冬

（焦作煤业集团有限责任公司，河南 焦作 454002）

0 引 言

我国厚松散层矿区分布广泛，包括华东、华中、华北等地区的兖州、济宁、两淮、焦作、峰峰、开滦等矿区[1-3]。“两带”（垮落带和导水裂缝带） 高度是水体下采煤安全煤岩柱留设的重要参数之一，研究松散层载荷作用下的“两带”发育高度对我国诸多大水矿区具有重要意义。我国第三系、第四系松散层一般由未胶结的粘土、沙土或砾石组成，具有强塑性特征。工程研究发现，一般条件下松散层在采动沉降过程中不能形成类似岩层砌体梁一样的结构，可作为均布载荷作用于基岩之上，不同厚度松散层下的“两带”高度有一定的差异性。对于“两带”发育高度，国内学者做了不少研究。张永刚等[4]利用数值模拟和经验公式对比分析了厚松散层薄基岩下重复采动下的“两带”破断高度，发现数值模拟结果小于经验公式计算值；唐世界等[5]结合赵固一矿具体条件，用实验和数值模拟的方法分析了厚松散层薄基岩上分层开采覆岩移动规律，进而确定了上分层开采防水安全煤岩柱尺寸及合理安全开采厚度；吴云等[6]利用现场实测的方法研究了薄基岩顶分层开采“两带”发育高度，并用数据分析进行验证；董检平等[7]采用地面钻孔观测法以及数值模拟，对厚松散层综放开采覆岩破坏高度发育规律进行研究，发现二者结果相近，且发育高度随采高增大而增大；张安斌等[8]针对巨厚松散层下“两带”高度的研究，采用经验公式预测、物理相似模拟试验和UDEC 数值模拟分析3 种方法进行了综合探究，研究结果表明物理相似模拟和UDEC 数值模拟能够反演上覆岩层垮落过程，且与经验公式计算的“两带”高度结果具有一致性；张文艺等[9]利用物探的手段对巨厚松散层下“两带”高度进行了探究；张彬等[10]利用离散元数值分析方法研究了松散含水层“两带”高度，验证了现场实测结果的正确性。以上成果对覆岩破坏规律研究起到了推动作用，但大部分研究为个例研究，主要分析覆岩结构或开采方法对“两带”高度影响，没有研究不同厚度松散层的载荷对“两带”发育高度的影响。

赵固二矿井田内为赋存巨厚的第四系松散层，不同松散层厚度的多个工作面开采“两带”发育高度实测结果规律不一，为深入研究深厚松散层对“两带”发育高度的影响规律，本文以赵固二矿的地质条件为工程背景，将松散层视为均布载荷，利用数值模拟和理论计算分析载荷作用下的“两带”发育高度。研究成果为含水松散层下合理煤岩柱的留设及压架突水灾害的防治提供参考[11]。

1 概 况

赵固二矿开采二1 煤层，煤层厚度4.73～6.77 m，平均6.16 m，煤层厚度主要集中在6.00～6.50 m。二1 煤层厚度大，变化小，结构比较简单，煤质变化较小，煤类单一，层位稳定，全区可采，属稳定型厚煤层。采用综合机械化开采，采空区顶板采用全部垮落方法处理。煤层顶板以泥岩为主，其次为中、细砂岩。底板以泥岩为主，占72%，次为粉、细砂岩，占17%。赵固二矿井田范围内无基岩出露，均为巨厚松散层覆盖。松散层主要由粘土、砂质粘土、砾石、粘土夹砾石及细砂构成，厚度524.69～703.48 m，厚度差为178.37 m，厚度变化主要受古地形控制。当松散层厚度变化时，就可能引起“两带”高度变化，从而引起导水裂缝带发展至松散层含水层中，最终导致透水事故的发生。因此研究松散层载荷对“两带”发育高度的影响具有一定的防治水意义。

2 载荷作用下的覆岩破坏数值模拟分析

2.1 模拟方案

基于FLAC3D 建模原理[12]，利用FLAC3D 软件建立“顶板-煤层-底板”模型，依据钻孔柱状图和实际地质状况对模型划分不同性质的煤岩层并赋值相关参数，岩层性质及参数见表1。松散层容重为2 g/cm3，经过计算可知松散层对基岩载荷为0.02 MPa/m，以100 m 厚的松散层为例，载荷为2 MPa，依此对模型上边界施加不同的载荷（表2）用于模拟不同厚度的松散层，然后运算模拟初始平衡状态。接着对煤层进行开挖操作，可模拟煤层开挖后的上覆岩层破断情况。

表1 岩层性质Table 1 Properties of rock formation

表2 施加载荷方案Table 2 Load application scheme

在模拟后的塑性破断图上可以测出垮落带和导水裂缝带的高度。

2.2 建立模型

根据6 采区现场工作面具体条件简化并建立数值模型，将开采煤层视为水平煤层建立模型，如图1（a） 所示，尺寸为600 m×400 m×302 m。模型上部250 m 为顶板及上覆岩层，中部2 m 为煤层，下部50 m 为底板岩层。设置边界条件如图1（b）所示，由于顶板岩层采动变形大，将上边界设定为自由位移边界并施加载荷，模型下部为底板，简化为位移边界条件，水平方向无位移约束，垂直方向为固定铰支座，即垂直位移为0，模型两侧为实体煤岩体，同样简化为位移边界条件，水平方向为固定铰支座，即水平位移为0，竖直方向无位移约束。

图1 数值模型Fig.1 Numerical model

2.3 “两带”高度特征及结果

按照表2 方案对模型上部边界施加均布载荷，并在煤层中开挖200 m 长的工作面，两边各留200 m 宽的煤柱以减小边界效应。

开采完毕后，根据矿山压力理论，顶底板岩层内部应力平衡状态被打破，应力进行了重新分布，处于煤壁与采空区附近区域内顶板岩层应力集中，且变化强烈，易遭受破坏而形成破坏带[13-16]。

经过数值模拟，不同载荷条件下的覆岩塑性破坏云图如图2 所示。根据模拟塑性破坏结果可知，上覆岩层拉伸破坏时形成垮落带，剪切破坏时形成导水裂缝带。

图2 数值模拟结果Fig.2 Numerical simulation results

根据模拟结果，可以发现“两带”高度的一般特征：导水裂缝带高度随着载荷的增大呈现增大趋势。经分析测量可得各个载荷下的“两带”高度，见表3。

表3 不同载荷下的“两带”高度Table 3 Hight of"two zones"under different load

载荷为0 时，垮采比为12.5，裂采比为42.5；载荷为2 MPa 时，垮采比为13，裂采比为86.5；载荷为4 MPa 时，垮采比为13，裂采比为116.5；载荷为6 MPa 时，垮采比为13.5，裂采比为>125。随着载荷的增大，垮落带高度略微增加，基本保持不变。分析其原因为顶板垮落过程主要是受拉破坏，与岩体自身抗拉强度有关，而载荷增加的是下压力，因此垮落带高度变化不大。随着载荷的增大，导水裂缝带高度呈现逐渐增大的趋势，分析其原因为载荷增大引起上覆岩层的剪切力（垂向应力） 增大，并逐渐超过其抗剪强度，造成导水裂缝带向上发育。可以看到，当载荷增大到6 MPa 时，裂隙已发育至松散层中，可能突破其含水层，导致事故的发生。

3 载荷对“两带”发育高度的影响规律

3.1 “两带”高度理论计算

考虑到赵固二矿上覆岩层主要为泥岩和砂岩，属于中硬岩层，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》[17]中“两带”计算公式：

式中：∑M为累计采厚，公式应用范围为单层采厚1 ~ 3.5 m，累计采厚不超过15 m；计算公式中“±”号项为中误差。

将采厚∑M=2 m 代入式（1） 和式（2），计算得垮落带高度HK=4.8～9.2 m，导水裂缝带高度Hli=21.4～32.6 m。垮采比为2.2～4.6，裂采比为10.7～16.3。

3.2 理论分析

对比理论计算和数值模拟“两带”高度结果可以发现，二者结果相差较大。其中数值模拟结果偏大，理论计算结果偏小。分析其原因主要为：①经验公式仅考虑采厚和煤岩性质作为变量，并未考虑其他因素（如埋深） 对“两带”高度的影响，因此计算具有一定的局限性；②数值模拟仅考虑松散层载荷作为变量，模拟结果只与载荷大小相关。

根据不同载荷下的“两带”高度数值模拟结果，制成“两带”高度随载荷增大而变化的趋势曲线，如图3 所示。可以看出随着载荷增加，垮落带高度基本不变，导水裂缝带高度逐渐增大，且变化率逐渐降低。

图3 “两带”高度趋势Fig.3 Height trend of"two zones"

4 结 论

（1） “两带”高度数值模拟结果与经验公式计算结果相差较大，尤其是导水裂缝带高度，数值模拟结果远高于理论计算值。

（2） 数值模拟结果显示不同的载荷对“两带”发育高度有一定的影响。随着载荷的增大，垮落带高度略微变化，基本保持不变，导水裂缝带高度逐渐增大。顶板垮落主要是受拉破坏引起的，与自身抗拉强度有关，因此垮落带高度变化不大。载荷作用使得基岩内采动应力（尤其是垂向应力） 增大，裂隙发育，造成导水裂缝带高度增大。