郭屯煤矿2301工作面导水裂隙带发育规律研究.pdf

煤炭与化工 Co al and Chemical Industry 第43卷第7期 2020年7月 Vo l.43 No .7 JuL 2020 地测与水害防治 郭屯煤矿2301工作面导水裂隙带发育规律研究 翁洪周1,李红友1,侯维华1,张冲冲1,陶广哲彳 1.临矿集团荷泽煤电有限公司郭屯矿，山东荷泽274000 ； 2.山东科技大学能源与矿业工程学院，山东青岛266590 摘要研究导水裂隙带的发育规律对于理清覆岩运动规律，保障工作面安全高效生产具有 重要意义。本文以郭屯煤矿2301 X作面为工程背景，采用理论计算与数值模拟相结合的研究 方法，对覆岩裂隙带发育规律及两带高度范围进行研究。结果表明，当工作面推进距离小于 100m时，裂隙带拓展较为缓慢；推进距离大于100m时，两带高度迅速拓展至68 m,与理 论计算结果较为符合。本文研究成果对于类似工程地质条件下两带高度发育规律研究具有借 鉴意义。 关键词导水裂隙带；数值模拟；垮落带；理论分析 中图分类号TD742 文献标识码B 文章编号2095-5979 2020 07-0038-04 Study on development law of water conducting fissure zone in 2301 working face of Guotun Mine Weng Ho ngzho u \ Li Ho ngyo u \ Ho u Weihua \ Zhang Cho ngcho ng \ Tao Guangzhe 2 1. Guot un Mine, Heze Coal and Elect ricit y Corporat ion Lt d., Heze 274000, China; 2. School of Energy and Mining Engineering, Shandong Universit y of Science and Technology, Qingdao 266590, China Abstract Studying the develo pment law o f waterco nducting fissure zo ne is o f great significance fo r clarifying the mo vement law o f o verburden ro ck and ensuring the safe and efficient pro ductio n o f wo rking face. In this paper, the 2301 wo rking face o f Guo tun Co al Mine was taken as the engineering backgro und, and a research metho d co mbining theo retical calculatio n and. numerical simulatio n were used to study the develo pment law o f the o verburden fracture zo ne and the height range o f the two zo nes. The results sho wed that when the advancing distance o f the wo rking face was less than 100 m, the expansio n o f the fracture zo ne relatively slo w; when the advancing distance was mo re than 100 m, the height o f the two belts rapidly extended to 68 m, which was in line with the theo retical calculatio n results. The research results o f this paper have reference significance fo r the study o f the rule o f height develo pment o f the two belts under similar engineering geo lo gical co nditio ns. Key wo rds water co nductio n fracture zo ne; numerical simulatio n; co llapsed zo ne; theo retical analysis 0引 言 在煤矿开采过程中，随着工作面向前推进，上 覆岩层逐渐发生离层和垮落，根据岩层变形破坏程 度，自下而上可划分为垮落带、裂隙带与弯曲下沉 带，其中垮落带与裂隙带合称为导水裂隙带X。导 水裂隙带是矿井突水与瓦斯涌出的主要通道，研究 导水裂隙带发育规律并确定其高度，有利于掌握覆 岩运动规律，对于实现保水开采，提高煤炭资源开 采率，提高经济效益，具有极其重要的意义IT。 近年来，国内外学者对导水裂隙带发育规律进 行了大量研究。如许家林等画采用相似模拟实验与 现场实测的方法研究了关键层位置对导水裂隙带发 育规律的影响；黄炳香等凹提出了破断裂隙贯通度 的概念并推导出计算公式；黄万朋等即利用岩层层 向拉伸率识别裂隙发育程度并给出了判别依据。上 责任编辑任伟 DOI 10.19286/ki.cci.2020.07.010 基金项目山东省自然科学基金项目（ZR2018QEE001） 作者简介翁洪周（1969）,男，山东济宁人，工程师。 引用格式翁洪周，李红友，侯维华，等.郭屯煤矿2301工作面导水裂隙带发育规律研究[J].煤炭与化工，2020 , 43（7） 38-41. 38 翁洪周等郭屯煤矿2301工作面导水裂隙带发育规律研究2020年第7期 述研究成果对导水裂隙带发育高度的确定提供了有 益的指导。由于煤矿地质生产条件的复杂性和不可 确定性，对于具体条件下导水裂隙带发育高度应结 合实际条件进行预算。 本文基于临沂矿业集团郭屯煤矿2301工作面 具体地质条件，采用理论计算方法估算两带高度, 然后采用FLAC3D数值模拟软件，模拟分析采场覆 岩破坏形态与位移场分布特征，从而揭示导水裂隙 带发育规律并确定导水裂隙带高度。 1概况 郭屯煤矿位于巨野煤田中北部，山东省鄆城县 境内，生产能力240万t/a,服务年限54 a。当前 主采3号煤层，煤层赋存稳定，结构简单，煤层厚 度5.35 6.38 m,平均厚度5.62 m。煤层直接顶为 细砂岩，平均厚度为4.5 m,局部存在伪顶厚0 3.3 m;基本顶为粉砂岩，平均厚度7.3 m;直接底 为泥岩，平均厚度5.35 m;基本底为粉、细砂岩， 平均厚度4.4 mo 2301工作面为二采区首采工作面，倾向长201 m,走向长1 040 m,采用单一倾斜长壁后退式采 煤法，全部垮落法管理顶板。该工作面具有薄基 岩、巨厚松散层的赋存特点，工作面回采过程中受 到松散层水害威胁，因此，通过理论分析与数值模 拟预判导水裂隙带发育规律，对实现2301工作面 安全开采具有重要意义。 2导水裂隙带理论计算 导水裂隙带发育规律主要取决于岩层构造、煤 层顶底板岩石力学性质和开采方法。本节采用经验 公式和理论公式方法判断导水裂隙带发育高度。 2.1经验公式计算 根据生产技术资料，2301工作面顶板属于中 硬岩层，全煤厚度为6.5 m,而中硬岩层条件下综 放开采的全煤厚裂采比为9.68 - 12.6O由此可推算 2301工作面两带高度范围。 导高上限H H导上12.6 能12.6 x 6.581.9 m 导高下限H H导下9.68 医9.68 x 6.562.9 m 即2301工作面导水裂隙带高度范围为62.9 81.9 mo 2.2理论公式计算 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阿及2301工作面顶板力学 特性，采用公式1计算其导水裂隙带高度。 loo Xw 址----------- 10.42 0.23M6.1 1 式中2M为煤层开采厚度，取6.5 m。 根据式1得出预计导水裂隙带高度最小 75.2 m,最大为96 m,裂隙比为11.6与14.7。 考虑到理论公式与经验公式的适用性，从安全 生产角度出发，可以认为2301工作面导水裂隙带 发育高度为62.9 96 96 m。 3导水裂隙带发育高度模拟分析 通过FLAC3D数值模拟软件模拟分析2301工 作面推进过程中覆岩破坏场与位移场的变化特征, 揭示2301工作面导水裂隙带发育规律。 3.1 模型建立 根据郭屯矿2301工作面具体地质生产条件， 建立三维数值模型，如图1所示。模型尺寸为800 mx400mx480m,其中X方向为推进方向，模拟 工作面250 m, Y方向为工作面倾斜方向，模拟工 作面倾斜长200 m, Z方向为模型高度，模拟煤层 6.5 mo模型底部与左、右边界速度限定为0,上覆 岩层转化为外载荷15 MP a施加在上部自由边界， 侧压系数取1.2O 图1三维数值模型 Fig. 1 Three dimensio nal numerical mo del 煤岩体定义为Mo hr-co ulo mb模型，数值模拟 中所需要的煤岩体物理力学参数见表1。模拟过程 为初始应力计算平衡一2301工作面推进50 m 2301工作面推进100 m2301工作面推进200 m 2301工作面推进250 mo 3.2模拟结果分析 3.2.1 位移场分布特征 工作面向前推进过程中，采场上覆岩层在矿山 压力作用下，发生移动变形宜至破坏，形成垮落 带、裂隙带与弯曲下沉带。工作面推进至不同距离 39 2020年第7期煤炭与化工第43卷 时顶板垂直位移分布如图2所示，变化曲线如图3 所示。 表1煤岩体物理力学参数 Table 1 P hysical and Mechanical parameters o f strata 岩层 密度/体积模量/剪切模量/剪切模量/内摩擦角/ g*cm3GP aGP aGP a 底板岩层 24203.212.022.0230 煤层 14121.701.001.0020 泥岩 2 2006.475.645.6435 上覆岩层2 100 3.975.455.4530 S 5.9350E-02 0.0000E00 -L0000E-01 -2.0000E-01 3.0000E 4.0000E 5.0000E 6.0000E 7.0000E 7.1744E 01 01 01 01 01 01 a推进50 m ZrDirsptecciiKfit I 8.8752E-02 O.OOOOEOO -1.0000E-01 -2.0000E-01 -3.0000E-01 -4.0000E-01 -5.0000E-01 6.0000E-01 7.0000E-01 当工作面推进100 m时，两带高度增加不明 显，垮落带与裂隙带高度分别为8.8 m与37 m;当 工作面推进200 m时，导水裂隙带高度显著增大, 垮落带与裂隙带分别为14 m与50 m;当工作面推 进250 m时，垮落带高度基本保持稳定，高度为 14 m,裂隙带继续向上发育，高度为58 mo 当工作面推进至200 m时，覆岩导水裂隙带发 40 翁洪周等郭屯煤矿2301工作面导水裂隙带发育规律研究2020年第7期 育达到相对稳定状态，此后导水裂隙带发育缓慢。 由位移场与塑性区分布特征综合分析得到，2301 工作面导水裂隙带高度为68 m,与理论计算范围 62.9 96 m相符合。 Co lorh state 朗貯； I啊 |煦觀1惱qtensi帅 a推进50m Coloi beaf-flste--p iheaHi施 中由5訓卩 b推进 100 m Coloiinestate c推进 200m d推进 250m Low j删Wp I眦时畀昶勰㈣ 图4不同推进距离下塑性区分布特征 Fig. 4 Distributio n characteristics o f plastic zo ne under different pro pulsio n distances 4结论 （1） 通过数值模拟位移场分布特征分析，得 到顶板导水裂隙带在工作面推进距离小于100 m 时，裂隙带拓展缓慢，推进距离大于100 m时，导 水裂隙带向上发育较为迅速。 （2） 通过数值模拟塑性破坏区分布特征分析， 工作面推进距离大于100 m时，两带高度增加迅 速，推进200 m时，导水裂隙带高度基本稳定。 （3） 通过数值模拟位移场与塑性破坏区分析, 确定2301 1作面导水裂隙带高度约为68 m,与理 论计算与现场实测相符合。 参考文献 [1 ] 郭惟嘉.矿井特殊开采[M ].北京煤炭工业出版社,200 [2] 何富连，张广超.深部破碎软岩巷道围岩稳定性分析及控 制[J].岩土力学，2015, 36（5） 1 397- 1 406. 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