霍小泉，寇義民，范智海

(銅川礦業(yè)有限公司，陜西 銅川 727000)

0 引言

煤巖體是一種非均勻介質(zhì)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在缺陷，這就使得煤巖體在圍巖應(yīng)力的變化下產(chǎn)生裂隙，進(jìn)而發(fā)育形成裂隙場(chǎng)。隨著回采工作的進(jìn)行使覆巖變形、移動(dòng)、斷裂和垮落，形成采空區(qū)覆巖三帶，即垮落帶、裂隙帶和彎曲帶。

針對(duì)采動(dòng)過程中覆巖裂隙帶發(fā)育高度的研究，國內(nèi)外專家學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。施龍青等[1]在前人裂隙帶高度計(jì)算公式基礎(chǔ)上，結(jié)合巖體性質(zhì)、工作面開采特性等因素，突破了單因素的局限性，推導(dǎo)了計(jì)算公式。南存全、趙金輝[2]采用分段注水和鉆孔電視，探測(cè)綜采工作面覆巖垮落帶發(fā)育高度，并進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)完善研究。金志遠(yuǎn)[3]運(yùn)用多種研究方法，對(duì)淺埋近距煤層重復(fù)擾動(dòng)區(qū)覆巖導(dǎo)水裂隙發(fā)育規(guī)律及其控制進(jìn)行了系統(tǒng)分析，研究結(jié)果可以為煤層的開采提供一定保障。李樹清等[4]認(rèn)為在雙重卸壓開采作用下，一些覆巖裂隙經(jīng)歷了生成、擴(kuò)展、壓實(shí)、張拉、再壓實(shí)等復(fù)雜過程；李樹剛等[5]構(gòu)建了重復(fù)采動(dòng)下覆巖裂隙橢拋帶形態(tài)的動(dòng)態(tài)變化數(shù)學(xué)模型，并推導(dǎo)出橢拋帶沿走向及傾向的形態(tài)分布動(dòng)態(tài)方程。其他學(xué)者對(duì)不同礦區(qū)煤層采動(dòng)后的裂隙帶高度也進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究[6-8]?？傮w而言，學(xué)者們主要采用理論分析、經(jīng)驗(yàn)公式、物理相似模擬、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法研究工作面采空區(qū)覆巖“三帶”高度，并取得了較多成果。

理論分析和經(jīng)驗(yàn)公式簡單易行，但由于忽略或概化了復(fù)雜地質(zhì)條件的影響，計(jì)算結(jié)果具有靜態(tài)性；物理模擬主要以平面應(yīng)力模型為主，試驗(yàn)結(jié)果與井下實(shí)際應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)有較大差距；數(shù)值模擬無法準(zhǔn)確反映多因素影響下的動(dòng)態(tài)開采條件和由于采動(dòng)引起的巖層運(yùn)動(dòng)；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果真實(shí)可靠，但其工作量大、成本高。為此，采用RFPA數(shù)值分析與理論經(jīng)驗(yàn)公式的研究方法，針對(duì)銅川礦區(qū)玉華煤礦2403工作面采動(dòng)過程中覆巖裂隙帶發(fā)育高度進(jìn)行研究，以期得出開采過程中的裂隙帶發(fā)育高度，為礦井災(zāi)害的防治、高位鉆孔終孔層位的選擇提供理論基礎(chǔ)。

1 礦井概況

玉華煤礦位于陜西省銅川市的焦坪礦區(qū)，井田走向長度7～10.5 km，傾斜寬2.8～4.8 km，面積約36 km2，井田內(nèi)可采煤層2層，4-2號(hào)煤為主采煤層，3-2號(hào)煤層局部可采。井田范圍內(nèi)劃分四個(gè)盤區(qū)即一、二、三、四盤區(qū)，一盤區(qū)已采完，二盤區(qū)正在開采，三、四盤區(qū)未開拓。礦井實(shí)行一井一面集中生產(chǎn)，核定生產(chǎn)能力240萬t/年?，F(xiàn)采面為2403工作面，采煤方法為走向長壁后退式開采，采煤工藝為綜采放頂煤。井巷掘進(jìn)以綜掘?yàn)橹鳎瑱C(jī)械化程度達(dá)到95%以上。其中，2403工作面煤層厚度4.3～10.28 m，平均煤厚8 m，機(jī)采3 m，放頂煤4 m，丟底煤1 m。

2 采動(dòng)覆巖裂隙演化規(guī)律數(shù)值模擬

2.1 RFPA軟件模擬簡介

RFPA(Rock Failure Process Analysis)，是一種對(duì)材料的破裂過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析的計(jì)算方法，它主要基于材料的有限元應(yīng)力分析以及材料破裂過程分析。其特色是能夠表征模擬材料的不均勻性前提下進(jìn)行研究力學(xué)問題，并且在試驗(yàn)過程中能夠表現(xiàn)出不同受力階段的材料性質(zhì)，模擬非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問題的材料斷裂過程，總的來說是一種新型數(shù)值分析方法。隨著開采工作面的推進(jìn)，上覆巖層出現(xiàn)應(yīng)力變化區(qū)域，由于煤巖體產(chǎn)生大量裂隙，為卸壓瓦斯聚集和運(yùn)移提供了有利條件，研究不同推進(jìn)距離時(shí)覆巖裂隙分布和卸壓形態(tài)是非常有必要的。

2.2 模型搭建

根據(jù)2403工作面的覆巖構(gòu)成及巖石力學(xué)參數(shù)，建立模型。模型尺寸沿水平方向取300 m，沿垂直方向取100 m，整個(gè)模型網(wǎng)格劃分為30 000個(gè)基本堆元。模型采用分步開挖的方式模擬采煤，每步開挖5 m，且模型兩邊各留50 m的保護(hù)煤柱，消除邊界效應(yīng)。模型邊界條件為兩堵水平約束，垂直方向頂部產(chǎn)生滑動(dòng)的固定邊界，底端固定。計(jì)算模型如圖1所示，本模型共分13層不同巖性的覆巖層，力學(xué)參數(shù)以及厚度見表1。

圖1 覆巖移動(dòng)模擬模型

表1 巖層模擬參數(shù)

2.3 覆巖裂隙演化過程分析

模擬過程中覆巖的變化可分為2個(gè)階段：直接頂垮落階段和基本頂破斷階段，工作面的不斷推進(jìn)并經(jīng)歷多次周期來壓后使得采空區(qū)上方裂隙發(fā)育穩(wěn)定，從而得出裂隙帶發(fā)育高度，試驗(yàn)過程主要分為直接頂垮落、基本頂破斷。

直接頂垮落：當(dāng)工作面推進(jìn)到10 m時(shí)，工作面上覆巖層處于懸空狀態(tài)，如圖2(a)、(b)所示。然后，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，上覆巖層出現(xiàn)部分破壞，如圖2(c)所示。當(dāng)工作面推進(jìn)到20 m時(shí)，直接頂上部出現(xiàn)離層裂隙，如圖2(d)所示。當(dāng)工作面推到40 m時(shí)，直接頂發(fā)生破斷，出現(xiàn)大范圍垮落，上部覆巖出現(xiàn)離層，開采空間兩側(cè)以豎向裂隙為主，中部主要是橫向裂隙，此時(shí)冒落高度約為3 m，如圖2(e)所示。

圖2 直接頂垮落過程

基本頂破斷：隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，覆巖破壞出現(xiàn)在基本頂，出現(xiàn)離層裂隙，并在兩端出現(xiàn)破斷裂隙，開采空間兩側(cè)的裂隙發(fā)育高度不斷增大，采空區(qū)中部的部分裂隙壓實(shí)閉合，如圖3(a)所示。當(dāng)工作面推進(jìn)到53 m時(shí)，基本頂初次來壓，來壓步距為53 m基本頂破斷，垮落高度為7 m，直接頂出現(xiàn)塑性鉸接破壞，未完全破壞，如圖3(b)所示。隨著工作面推進(jìn)，基本頂破壞程度加深，裂隙發(fā)育高度為30 m，并在直接頂和基本頂之間出現(xiàn)大量離層裂隙和破斷裂隙，且縱橫交錯(cuò)，離層裂隙逐漸向上延伸，出現(xiàn)第一次周期來壓，來壓步距為22 m，如圖3(c)所示。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，離層裂隙繼續(xù)向上延伸，裂隙發(fā)育高度為52 m，離層裂隙出現(xiàn)在主關(guān)鍵層，亞關(guān)鍵層出現(xiàn)破斷裂隙，斷裂破壞和離層裂隙增多，如圖3(d)、圖3(e)所示。當(dāng)工作面推進(jìn)到109 m時(shí)，出現(xiàn)第2次周期來壓，垮落高度為18 m，來壓步距為25 m，主關(guān)鍵層出現(xiàn)大量的離層裂隙和破斷裂隙，且離層裂隙延伸到上部軟巖層。工作面回采結(jié)束時(shí)裂隙發(fā)育情況，裂隙發(fā)育高度約為58 m，冒落帶高度為24.6 m左右。

圖3 基本頂破斷過程

3 采動(dòng)覆巖裂隙帶高度理論計(jì)算

采動(dòng)覆巖裂隙帶高度經(jīng)驗(yàn)公式是通過統(tǒng)計(jì)我國部分礦井的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)得到的[9-12]，其主要考慮的因素為開采厚度以及頂板的單軸抗壓強(qiáng)度。通過計(jì)算得到的數(shù)據(jù)雖存在誤差，但也具有一定的理論價(jià)值。裂隙帶的發(fā)育高度可通過表2進(jìn)行計(jì)算。

表2 裂隙帶高度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式

結(jié)合2403工作面實(shí)際的圍巖地質(zhì)情況，可以得出裂隙帶的高度為43.1～54.3 m。而采用RFPA數(shù)值模擬得到的裂隙帶高度為58 m，雖然存在誤差，但經(jīng)驗(yàn)公式所計(jì)算出的范圍沒有考慮到上覆巖層的多因?qū)傩约皬?fù)雜性，且誤差在合理的范圍內(nèi)，也進(jìn)一步說明數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。此外，數(shù)值模擬試驗(yàn)所得到的冒落帶與彎曲下沉帶高度也可以作為參考。

4 結(jié)論

(1)通過RFPA數(shù)值模擬試驗(yàn)得出2403工作面開采過程中冒落帶高度約為24.6 m，是采高的4.1倍；兩側(cè)最大裂隙帶發(fā)育高度約為58 m，是采高的9.67倍；中部裂隙帶高度為52 m左右，為采高的8.67倍。其中裂隙帶高度與經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式得出的43.1～54.3 m，兩者相互驗(yàn)證，結(jié)果基本相符。

(2)采用數(shù)值模擬的研究方法對(duì)采動(dòng)覆巖三帶高度的確定，可為高位鉆孔以及高抽巷的布置提供理論基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)瓦斯的精準(zhǔn)高效抽采，進(jìn)而為礦井的安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)。