谢桥煤矿1201(3)工作面覆岩导水裂缝带高度预测

（3）工作面覆岩导水裂缝带高度预测王东，段克信，袁景辽宁工程技术大学，辽宁阜新（123000）摘要：本文针对谢桥煤矿覆岩类型和开采条件，参照1121(3)工作面覆岩导水裂缝带高度的实测结果，反演得出谢桥煤矿覆岩破坏的力学参数，建立数值模拟模型；通过对模拟结果的分析，得出了各影响因素对导水裂缝带高度的影响程度，归结出预测1201(3)工作面覆岩导水裂缝带高度的计算式，为谢桥煤矿预测开采上限提供了重要依据，并且对覆岩破坏的理论研究以及工程实践都具有一定的参考价值。关键词：导水裂缝带；数值模拟；RFPA2D；反演；裂高0引言煤层采出后，采空区周围的岩层将产生位移、变形乃至破坏。煤层的上覆岩层一般会由下至上先后形成冒落带、裂缝带和弯曲带，冒落带和裂缝带构成导水裂缝带，导水裂缝带一旦波及煤层上覆水体，则会导致水体的水流入或溃入井下，直接威胁煤矿生产。因此，水体下采煤是指在保障安全条件下，采用专门的技术和安全措施开采各类水体所压的煤层。本文研究目的在于针对谢桥煤矿覆岩类型和开采条件，参照导水裂缝带高度的实测结果，通过数值模拟得出影响导水裂缝带发育程度的主要因素及其影响程度。1数值模拟方法简介[1]数值模拟方法的特点就在于具有分析基本构成要素性质简单而整体性质复杂的宏观系统行为的优势。与解析理论相比，它可以为初值简单、演化过程复杂的问题提供直觉的认识。尽管岩体破裂与岩层移动过程是一个极其复杂的力学系统，但从局部而言，都是岩石的变形与破裂问题。之所以有干差万别的各种岩体破裂与岩层移动现象，是因为组成岩层的结构不同、边界条件不同、开挖形式不同，等等。因此，只要我们只要能对组成岩层结构的局部介质的特性具有足够的了解，就可以通过从局部个性的综合来把握整体。本文所使用的由东北大学岩石破裂与失稳中心开发的岩石破裂过程分析系统RFPA2D（RockFailureProcessAnalysisCode）就是基于这样的认识而开发完成的，它是一种基于有限元计算原理、但不同于有限元基本思路，可用于岩石（岩体）材料从细观损伤到宏观破裂的数值模拟程序。2力学模型和数值模拟方案2.1力学模型模型就是一种理想化，最好的模型能抓住问题的物理本质，阐明突出关键性观察结果的原理和预测尚未研究过的条件下发生的行为。由于采场上方垮落带、裂缝带、弯曲带的几何形状及其岩体力学性质的复杂性，加之岩体破裂后变形属性的不确定性，在对覆岩破坏数值模拟建模时，不可避免地要舍弃一些非本质的东西。但必须遵循如下原则：2.1.1模型尺寸本研究基本涉及提高开采上限的相关问题，考虑到计算机容量的限制和计算数量的庞大，一方面应减少单元数量；另一方面应能充分显示出覆岩导水裂缝带的发展过程。本次建模将平面模型定在采场立体空间的倾斜剖面，其长度约等于两倍回采工作面长度再加百米。其中一个工作面用于模拟已采空的覆岩破坏现状，另一个工作面用于模拟所研究工作面在一侧采空条件下采动引起的覆岩破坏状态，模型长度再加百米就基本包容了两个采场空间的支承压力作用范围。模型由加载层、顶板岩层、煤层、和底板岩层三部分厚度之和。其中加载层厚度为21m，其容重随采深变化而换算成不同的值以模拟地面至煤层不同覆岩厚度的自重载荷；顶板岩层厚度大于覆岩裂缝带的极限高度，约为采高的30~40倍；底板岩层厚度大于受支承压力作用的底板破坏范围，约为采高的5~10倍。基于以上分析，单元尺寸定为1.5m×1.5m，每个模型约由3~5万个单元构成。2.1.2力学参数由于覆岩破裂及其破裂后的力学行为十分复杂，在选取覆岩力学参数时，目前国内外尚不能做到将岩石标准试样的测试结果直接应用于模拟。因此，本研究选取覆岩力学参数时采用了反演方法，即将大量覆岩裂缝带的实验结果及其显现规律作为已知，再通过大量的模拟反演得出覆岩的力学参数。首先确定了覆岩岩体的三向抗压强度。依据谢桥煤矿两个钻孔岩样的物理力学性质实验数据，得到裂缝带岩层标准岩样单向抗压强度的加权平均值为15.5MPa，属规范中分类的软弱覆岩。由大量模拟反演得出，当岩体试样尺寸（相当于单元尺寸）大于1.5m且均质度很差时（均质度为3），其三向抗压强度约为标准试件单向抗压强度的4~5倍。因此，本模拟针对谢桥煤矿煤层覆岩的具体条件，各方案覆岩的强度均选为70MPa。其次，由裂缝带岩体结构分析、相似材料试验显现和数值模拟声发射的研究结果可以得出，裂缝带岩层破坏的主要形式是拉裂，因此给定覆岩岩体抗压强度与抗拉强度之比也很重要，但此比值亦不能由试验确定，也是针对谢桥煤矿煤层覆岩的具体条件由大量模拟反演得到裂缝带岩体的抗压强度是其抗拉强度的5倍，即压拉比的值取为5。再次，裂缝带岩体破裂后的力学行为对裂缝带形成和发展十分重要，其状态主表要取决于岩体的残余强度，只有它的存在才能使裂缝带岩层破坏发展得以继续。然而，岩体的残余强度更不能由试验确定，还是针对谢桥煤矿煤层覆岩的具体条件，由大量模拟反演得出，裂缝带岩体的残余强度比值为0.9倍的单向抗压强度。为了突出模拟裂缝带岩层的破坏形态及过程，将煤层、底板岩层和加载层视为未遭破裂的完整岩体，所以其强度值选取得很大，这样做对本研究模拟的定量结果并无实质影响。2.1.3力学模型按照上述分析，建立力学模型如图1。模型将覆岩分作三部分，冒落带岩层、裂缝带岩层和加载层。模型两侧和底部为位移约束，两个底铰点是固定铰支座。煤层直接顶岩层底板岩层加载层裂隙带岩层图1计算力学模型数值模拟方案本研究的技术路线为：通过反演1121（3）工作面覆岩破坏的实测结果验证模型（包括力学参数选择）的正确性及误差，模拟研究1201（3）工作面限高开采和采全厚的裂缝带高度，模拟研究谢桥煤矿煤层开采覆岩破坏规律及其控制的开采技术措施。为此，共设计和模拟了约30个力学性质的选择模型，1个1121（3）工作面反演模型，2个1201（3）工作面限高和全厚开采模型，16个覆岩破坏规律模型，共计约50个模型。31121（3）工作面覆岩破坏数值反演3.1数值模拟参数的确定在设计数值模拟模型时，由于工作面底板标高为-470~508m，故开采深度为489m，约为490m。采高4.5m，冒落带厚度19.5m，煤层倾角14°，工作面长度应约为160m。岩体力学参数见表1。表1岩体力学参数岩体弹性摸量(MPa)均质度抗压强度(MPa)泊松比压拉比残余强度容重（N/m3）加载层100010010000.350.20.0004441老顶10000100700.350.90.000025直接顶100003200.3100.20.000025煤层300035000.250.20.000013底板100001005000.350.20.0000253.2模拟结果及与观测的对照模拟结果见图2，运输顺槽侧的模拟裂缝带高度为69.6m。观测结果为为67.9m。可见模拟结果与观测结果绝对误差为1.7m，相对误差仅为0.025，证明了方法的可靠性。图21121（3）工作面覆岩裂缝带4覆岩破坏的主要影响因素分析影响导水裂缝带发育高度的因素有许多，包括覆岩力学性质和结构特征、采煤方法和顶板管理方法、煤层倾角、开采面积与厚度、时间因素以及重复采动[2]。对于谢桥煤矿来说，覆岩属软弱岩层，数值模拟结果显示，在覆岩属性基本不变的前提下，鉴于提高开采上限属一侧采动的问题，煤层倾角小且变化不大，工作面覆岩破坏的主要影响因素是采深、采高、工作面长度以及冒落带厚度这四个因素。模拟是在其他三个主要影响因素不变的条件下进行的。取其他三个不变因素为采深430m，工作面长96m，煤层倾角14°，冒落带厚度和采高一一对应成正比。采高分别为3m，4.5m，6m，7.5m，模拟结果见图3-图6和表2，对其进行线性拟合，得出采高与裂高的关系式4-1和拟合曲线图7。图3采高3m的导水裂缝带图4采高4.5m的导水裂缝带图5采高6m的导水裂缝带图6采高7.5m的导水裂缝带表2采高的影响工作面长度(m)煤层厚度(m)采高(m)冒落带厚度(m)采深(m)裂高(m)963313.543036.5964.54.519.543057.096662743068.8967.57.53343077.3图7裂高与采高的关系曲线图8裂高与采深的关系曲线y=8.9467M+12.96（4-1）y=0.5220H+42.30（4-2）同样的方法得出另外三个主要因素（采深、工作面长度和冒落带厚度）与裂高的关系式4-2、4-3、4-4和拟合曲线图8、图9、图10。计算式中：y—裂高/m；M—采高/m；H—采深/10m；L—工作面长度/10m；Σ—冒落带厚度/m。=1.8040L+39.02（4-3）y=1.1196Σ+31.36（4-4）这样，计算式中自变量的系数就可以被看作是各个影响因素对裂高的影响程度。但在模拟过程中，为了与现场实际相符，变化采高时，冒落带厚度随之成比例变化，即采高每变化1m，冒落带厚度变化4m，所以采高对裂高的单一影响应该是每变化1m采高，裂高应变化的值为8.9467-4×1.1196=4.4683m。因此，裂高的计算式应为Y=4.4683M+0.5220H+1.8040L+1.1196Σ+x，其中x是未知量，而我们可以根据实测结果即1121（3）工作面覆岩裂高值来求得x。x=67.88-4.4683×4.5+0.5220×49+1.8040×16+1.1196×19.5=-28.5则谢桥煤矿覆岩导水裂缝带高度的计算式应为：Y=4.4683M+0.5220H+1.8040L+1.1196Σ-28.50（4-5）式中：Y—裂高/m；M—采高/m；H—采深/10m；L—工作面长度/10m；Σ—冒落带厚度/m。5结论及展望(1)针对谢桥煤矿覆岩类型和开采条件，参照导水裂缝带高度的实测结果，模拟得出影响导水裂缝带发育程度的主要因素；模拟得出的计算式可作为谢桥煤矿预测开采上限的重要参考依据。式中反映出，采高是影响裂高的首要因素，它增大1m，裂高约增加4.5m；相对来说其他因素影响较小：采深每增加10m，裂高约增加0.5m；工作面长度每增加10m，裂高约增加1.8m；冒落带厚度每增加1m，裂高约增加1.1m。(2)仅针对谢桥煤矿的覆岩条件进行了导水裂缝带的研究，但我国煤层赋存条件复杂，覆岩结构及其类型也都不同，因此，坚硬及软弱覆岩条件下的导水裂缝带产生发展以及覆岩破坏规律应作为今后工作所要努力研究的内容。参考文献[1]唐春安，于广明等.采动岩体破裂与岩层移动数值实验[M].吉林：吉林大学出版社，2003.3[2]何国清，杨伦等.矿山开采沉陷学[M].徐州：中国矿业大学出版社，1991(3)WORKINGFACEINXIEQIAOMINEWangDong,DuanKexin,Yuanjing(LiaoningTechnicalUniversity,LiaoningFuxin123000)AbstractInthispaper,inallusiontotheoverlyingstrata’stypesandminingconditionsinXieqiaoMine,referencingtheactualmeasurmentresultsofthewatersuturezone’sheightover1121(3)workingface,theauthorgainsthemechanicsparameteroftheoverlyingstrata’sdestructionsinXieqiaoMin