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煤炭工程 COAL ENGINEERING Vo l. 52, No . 6第52卷第6期 doi 10. 11799/c e202006025 综采工作面覆岩裂隙动态演化特征研究 尹嘉帝“，张华磊涂敏12 （1.安徽理工大学煤矿安全高效开釆省部共建教育部重点实验室，安徽淮南232001 2.安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南232001） 摘要鉴于采动影响下采场覆岩裂隙空间分布特征对矿井突水灾害防控和瓦斯抽采具有重要 意义，以潘二矿18111工作面为具体工程背景，采用相似物理模拟、数值模拟以及理论分析，对综 采工作面覆岩裂隙的分布演化规律以及导水裂隙发育高度进行研究。研究表明随工作面的不断推 进，工作面两端存在裂隙聚集带，裂隙发育高度高且多以大角度为主；通过数值模拟对裂隙发育角 度进行统计分析，结合相似模拟试验结果，得出覆岩裂隙发育角度呈现区域性分布的特点；采用多 种方法来研究裂隙发育高度，通过对所得结果进行综合分析，得出导水裂隙的发育高度为54 60. 8m。研究结果对类似工程条件下裂隙演化特征的研究具有一定的借鉴意义。 关键词综采工作面；裂隙空间分布；裂隙高度；动态演化特征；采动影响 中图分类号TD821 文献标识码A 文章编号1671-0959（2020）06-00116-05 Dynamic evolution characteristics of overburden fractures in fully mechanized coal face YIN Jia-d i12, ZHANG Hua-lei12, TU Min12 1. Pr ovinc e and Ministr y Co-c onstr uc ted Key Labor ator y of Coal Mine Safety and Effic ient, Anh ui Univer sity of Sc ienc e and Tec h nology, Huai nan 232001, Ch ina； 2. Ener gy and Safety Sc h ool, Anh ui Univer sity of Sc ienc e and Tec h nology, Huainan 232001, Ch ina Abstract Th e spatial d istr ibution of over bur d en fr ac tur es und er mining influenc e is signific ant for mine water bur sting pr evention and gas ex tr ac tion, based on th e engineer ing bac kgr ound of Panyi Coal Mine 18111 wor king fac e, th e similar ph ysic al simulation, numer ic al simulation and th eor y analysis ar e c ar r ied out to stud y th e d istr ibution law of over bur d en fr ac tur es evolution and th e h eigh t of water -c on d uc ting fr ac tur e zone. Th e r esults sh ow th at, with th e c ontinuous ad vanc e of th e wor king fac e, th er e ar e fr ac tur e ac c umulation zones at both end s of th e wor king fac e, th e fr ac tur es ar e h igh and mainly lar ge angle fr ac tur es. Ac c or d ing to th e statistic al analysis of fr ac tur e d evelopment angle of numer ic al simulation and th e r esults of similar simulation tests, th e fr ac tur e d evelopment angle of over bur d en pr esents th e c h ar ac ter istic s of r egional d istr ibution. A var iety of meth od s ar e used to stud y th e h eigh t of fr ac tur e d evelopment. Th r ough a c ompr eh ensive analysis of th e r esults, th e h eigh t of water -c ond uc ting fr ac tur e d evelopment is 54 〜60. 8m. Keywords fully mec h anized wor king fac e； spatial d istr ibution of fr ac tur es； fr ac tur e h eigh t； d ynamic evolution c h ar ac ter istic s ； mining influenc e 采动裂隙演化规律的研究，对煤炭绿色安全高 效生产具有重要的意义，关于裂隙带发育、演化过 程的深入分析，对瓦斯抽采工程设计、矿井突水灾 害防控、保护水资源开采具有重要作用⑴。国内外 学者在采场覆岩结构和覆岩裂隙发育规律等方面开 展了大量的研究，文献［2-5］总结了大量煤矿实测 资料，得到裂隙带发育高度的经验公式；许家林 等〔6,7）采用理论分析、工程探测和模拟实验等手段, 指出上覆岩层中主关键层位置会对导水裂隙带高度 产生重大的影响，并初步确定了关键层破断裂缝贯 收稿日期2019-10-29 基金项目国家自然科学基金项目（51574007） 作者简介尹嘉帝（1994）,男，河南南阳人，在读硕士，现从事深部岩体力学的研究，E-mail 1506858187 qq. c omo 引用格式尹嘉帝，张华磊，涂 敏.综采工作面覆岩裂隙动态演化特征研究［J］,煤炭工程，2020, 52（6） 116-120. 116 2020年第6期 煤炭工程研究探讨 通的临界高度可以按7 10倍采厚来进行估算；柴 华彬等⑻基于GA-SVR建立了的导水裂隙带高度预 测模型；伍永平等⑼采用试验的方法研究了覆岩裂 隙的动态分布特征；陈长华等通过对神东矿区的 现场实测，研究了采场覆岩的破坏类型以及覆岩裂 隙的发育高度；殷帅峰等⑴］运用数值模拟研究了裂 隙发育规律，提出了有效的抽采瓦斯方案；徐智敏 等卫〕研究了覆岩裂隙渗透性演化规律，分析了干旱 矿区保水采煤的重要意义。 综上所述，国内外学者采用不同的理论和方法 对覆岩裂隙的发育规律进行了研究，取得了丰富的 成果。目前，关于采场覆岩裂隙分布特征的研究较 少，基于此，在前人研究的基础上，采用了物理相 似模拟试验、离散元方法DEM以及理论分析相结 合的方法，研究了采动影响下覆岩裂隙的动态演化 规律、空间分布特征以及导水裂隙带发育高度。导 水裂隙带发育高度的判定，采用相似模拟试验、数 值计算分析并与理论经验公式多种研究方法，对所 得结果进行综合的对比分析，克服了单一方法的局 限性，为研究相似矿井覆岩裂隙的演化规律提供 参考。 1工程地质概况 以潘二矿18111工作面为具体工程背景，该工 作面上覆岩层地质条件复杂，煤层开采受到上方厚 松散层和承压含水层的影响；煤层埋深约450m,平 均煤层厚度4m,煤层倾角8-12,平均10。，岩层 柱状如图1所示；开采采用一次采全高综采技术, 顶板采用全部垮落法管理。 2相似模拟试验 2.1试验概况 根据工作面地质条件、模型架尺寸、相似原理及 量纲分析，选定模拟试验几何相似比为1 100,容重 相似比为3 5,应力相似比为1 150,时间相似比为 1 10,岩层相关力学参数和材料配比见表1。 表1各岩层物理模型力学参数表 岩性 抗压强 度/MPa 泊松比 V 容重/ kN m3 砂石灰 石膏/kg 中粒砂岩0. 2500. 2215.35 0. 7 0. 4 粉砂岩0. 2800. 2015.55 0. 7 0. 3 砂质泥岩0. 1800. 3015.29 0. 7 0. 3 泥岩0. 1600. 2415.010 0. 5 0. 5 煤0. 0700. 307. 9011 0. 5 0. 5 细砂岩0. 3600. 2515.68 0. 6 0. 4 岩性 煤 砂质泥岩 细砂岩 砂质泥岩 中砂岩 泥岩 25.4 1 7F 5 12 12 12 3」 T5 5.5 4 1.2 44 4.4 岩层厚度/m 粉砂岩 中粒砂岩 砂质泥岩 中粒砂岩 承压层 下隔水层 风氧化带一 砂岩 砂质泥岩 砂质泥岩 松散层 |岩层柱状图| 图1岩层柱状图 2. 2试验结果分析 采动过程中覆岩裂隙动态演化过程如图2所示。 随着工作面向前推进，后方采空区的空间不断增大, 靠近采空区上覆顶板受到了应力集中和采动的影响， 岩层中静止的微裂隙再次激活，沿着裂隙尖端开始 发育。如图2a所示，当工作面推进至25m时，上 方岩层中的裂隙已经贯通形成了横向约llc m实际 长度11m的裂隙，在裂隙末端从亦形成了纵向裂 隙，此时上覆岩层未发生垮落，裂隙发育高度约为 23m,仍保持完整性。 图2a中所示当工作面推进至25m时上覆岩层 垮落及裂隙分布特征图，随着采空区跨度进一步增 大，上覆岩层裂隙进一步发育，直接顶发生垮落。 受直接顶垮落的影响，直接顶上方约3c m处产生了 横向裂隙，工作面推进至32m时，基本顶发生垮落， 工作面出现了初次来压。图2b为工作面推进至 35m时，上覆岩层垮落及裂隙分布特征图，由于采 空区空间大，垮落岩层难以填充采空区导致上方形 成大的裂隙空间；此时距煤层7m左右，形成了 2条 可见的裂隙，呈现出拱形形态，其局部详图如c 所 示。图2d为当工作面推进65m时，上覆岩层垮落 及裂隙分布特征图，随着工作面进一步推进，上覆 岩层岀现周期性破断垮落，呈现岀了不规则梯形状, 且在工作面前端与开切眼处形成了贯通的主裂隙。 随着工作面进一步推进，整个上覆岩层破断与裂隙 发育如图3所示。 当工作面基本顶初次来压时，工作面上部形成 T “阶梯型”贯通裂隙，工作面继续向前推进出现 周期来压时，工作面上部亦形成“阶梯型”贯通裂 117 研究探讨煤炭工程 2020年第6期 a工作面推进25m b工作面推进35m c工作面推进35m局部放大 d工作面推进65m 图2采动覆岩裂隙发育过程 图3裂隙演化迁移图 隙，与前一个周期相比，工作面上部贯通裂隙进一 步向上覆岩层发育，整个工作面前端上部裂隙随着 工作面推进向前迁移发展图3所示1-234, 前期产生的覆岩裂隙将会被压实闭合，发育过程将 会被终止。当工作面推进至150m时，裂隙发育基本 趋于稳定，裂隙发育高度达到54m左右。 为了更加精确直观描述采动后覆岩裂隙发育状 况，采用裂隙密度作为反映分析裂隙发育特征的指 标，得出了覆岩推进过程中裂隙密度分布特征曲线， 如图4所示。由图4可知，在工作面推进工程中， 受采动影响，覆岩垮落产生裂隙，并且随着工作面 推进裂隙数量呈增多趋势，上覆岩层的存在将会使 采空区被压实，导致裂隙数量降低，最终形成了交 替往复周期现象。受采动影响工作面煤壁上方处于 一种应力释放状态，工作面前方煤壁处裂隙数量与 切眼处相比处于高位，整个上覆岩层裂隙密度呈现 非对称“马鞍形”。 开切眼 工作面推进/m 图4覆岩裂隙密度分布特征图 3离散元数值计算分析 3.1模型建立 为了直观清晰反映上覆岩层断裂与裂隙的发育 情况，并与相似模拟试验对比，本次数值模拟选用 PFC2DDEM颗粒流程序进行建模、分析、计算, 根据潘二矿18111工作面地质条件，沿工作面走向 方向建立2D模型，模型长200m,高为100m。计算 时采用了平行粘结模型，左右和下边界施加了固定 约束，上表面为自由约束，分析上覆岩层裂隙发育 状况。 3.2结果分析 根据潘二矿18111工作面相关资料，建立如图5 a所示的数值模型，为了区分不同岩层，将各岩层 标记为不同颜色，煤层厚度为4m,模拟时每次开挖 5m计算一次平衡，与相似模拟试验一致工作面推 进 150m。 当工作面推进150m时，上覆岩层破断及裂隙发 育如图5b所示，在工作面开切眼处和工作面煤壁 上方形成两条贯通的主裂隙，发育高度接近58m, 可以观察到工作面推进过程中煤壁上部裂隙逐渐向 前迁移，离工作面煤壁较远未发育完全的裂隙，逐 渐被垮落带上部的岩层荷载所压实，裂隙逐渐闭合, 只有距离工作面煤壁较近处存在裂隙如图5c 所 示，并且对裂隙的方位角进行了监测统计，岩层裂 隙方位角统计结果见表2。 118 2020年第6期 煤炭工程研究探讨 圧作面推进 顶板周期性垮落 裂隙向 上扩展 c覆岩裂隙发育图 - 大角度扩展区 - 大角度扩展因 .“ 度区一 屮用度胃落区 a模型图 b推进150m 图5上覆岩层裂隙发育数值模型 表2岩层裂隙方位角统计表 裂隙倾角/。03030-5050-6060。70。70-8080-90 百分比/27199181214 覆岩裂隙的发育角度与各岩层的厚度、岩性、 节理面分布、地质构造、煤层采动影响等因素有关, 具有复杂性和随机性，但从整体来看，裂隙发育角 度又具有一定的统计特征，角度的分布呈现出区域 性的特点。 根据对数值模拟裂隙发育角度的统计分析，并 结合相似模拟试验结果，可将上覆岩层按裂隙角度 大小分为如图5c 所示的三个区域小角度裂隙 区、中角度裂隙区、大角度裂隙区，各区域裂隙的 整体分布特征具有显著的差异性。 小角度裂隙区主要分布在弯曲下沉带和裂隙发 育上限之间，裂隙发育角度0。30。为主，形成的主 要原因是各岩层在向下弯曲变形的过程中，由于岩 层间岩性不同，变形挠度不一致，而导致各相邻岩 层间出现了分层现象。中角度裂隙区主要分布在裂 隙带和冒落带内，该区域内的裂隙主要由大角度裂 隙的垮落岩体或散落岩块堆积而形成，由于受到上 覆垮落岩体自重、工作面推进过程中的周期来压及 矿山构造应力等因素的影响，使得岩体的裂隙发育 角度降低，裂隙发育角度多集中在30-60大角 度裂隙区主要分布在工作面两端附近，该区域的裂 隙分布密集，多表现为高角度的穿层裂隙，随工作 面的推进，从开切眼处上方保持持续向高位扩展的 趋势，裂隙发育角度主要为60-90 由相似模拟试验和数值模拟的结果可知，在工 作面两端裂隙发育密集且发育高度高、角度大，根 据裂隙角度统计结果，角度大于60。的裂隙占了裂隙 总数量的44左右，表明上覆岩层在采动影响下裂 隙场的发育多以大角度为主。 对数值模拟裂隙发育高度进行了监测，其裂隙 发育高度与工作面推进距离之间关系大致呈现斜 “S”型，如图5d所示。 裂隙带高度发育如图6所示，由图6可知，工作 面推进至20m左右时，顶板上方由于应力集中和米动 影响开始出现裂隙，并且逐渐向上发育；当工作面推 进至60m时，上方关键层开始出现了裂隙，裂隙发育 高度迅速增长；当工作面推进至100m左右时，采空 区逐渐被压实，上方岩层下沉量减少，处于高位的岩 层形成了稳定的较接梁结构，遏制了裂隙继续向上发 育，最终裂隙发育高度稳定在58m左右。 o o o o o O o o o o o O 6 5 4 3 2 1 6 5 4 3 2 1 01_______I___________________________. 0 20 40 60 80 100 120 140 工作面推进/m 图6裂隙带高度发育图 4导水裂隙带发育高度预计与分析 4.1关键层判别计算法关键层判别计算法 根据关键层位置对导水裂隙带发育高度的影响 规律，采用基于关键层位置来预计导水裂隙带高度 的方法来推测18111工作面导水裂隙带的发育高度。 由潘二矿的地质资料，依据钱鸣髙、许家林的 关键层判别方法［13141,确定18111工作面有1个主 关键层和1个亚关键层，主关键层为距煤层顶端 15m、厚12m的细砂岩；亚关键层为煤层上方厚 5.5m的砂质泥岩，关键层的具体位置如图I所示。 由图1可知，煤层的开采厚度为4m,计算可得 到10M为40m,主关键层位置距煤层的高度为15m 小于40m,因此导水裂隙带发育高度按照基岩厚度 来计算，可以得到导水裂隙带高度为56mo 4.2导水裂隙带经验公式预计导水裂隙带经验公式预计 根据18111工作面的地质条件，煤层上覆岩层 主要是砂岩和砂质泥岩，属于中硬岩层。按照建 119 研究探讨煤炭工程 2020年第6期 筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采 规范[151,中硬岩层导水裂隙带的高度计算公式为 loo Ym Hf ------------------ 5. 6 1 1.6 3. 6 式中，H『为导水裂隙带发育最大高度，m； 为累计开采厚度，m。 根据18111工作面的煤层地质条件，煤层取平 均厚度4m,代入式1可计算得到裂隙带发育高度 为405. 6mo 4.3经验类比计算法经验类比计算法 涂敏⑷通过对潘谢矿区3个大釆高综采工作面 的垮落钻孔进行实测，得到了煤层开采后上覆岩层 裂隙发育高度的实测数据。利用最小二乘法进行拟 合计算，得出潘谢矿区采动裂隙发育高度经验公式 式中，H为上覆岩层裂隙带发育高度，m； M 为煤层开采厚度，m。 煤层的平均厚度为4m,代入式2可计算得到 裂隙带发育高度为5 82m。 4.4导水裂隙带预计高度综合分析导水裂隙带预计高度综合分析 将上述各种方法得到的导水裂隙带发育高度预 计结果见表3。根据以上3种手段得到导水裂隙带 的发育高度为34.460.8m。由表3可知，“三下 规程”与其它几种方法所得结果差距较大，文 献也⑷指出，规程中的公式得到的预测结果一般 适用于开采方式为炮采与普通机采，且当煤层分层 采厚大于3.0m时，规程中的统计经验公式与实测 结果存在较大的差异。而运用相似模拟实验、数值 模拟、经验类比和关键层理论所得到的结果均比较 接近，因此，可根据计算结果预测导水裂隙带的发 育高度为54-60. 8mo 表3导水裂隙带发育高度预计结果 工作面煤层厚度/in 相似模拟试验/m数值模拟/m关键层计算/m三下规程/m经验类比/m 18111454585640 5. 65 8 2 5结论 1 随着工作面的不断推进，工作面前端裂隙出现 迁移现象，前期采空区产生的裂隙将会被压实闭合，导 致裂隙数量降低，最终呈现出交替的周期现象。 〔7] 2 工作面两端裂隙发育密集且以大角度发育为 8 主，裂隙发育角度的整体空间分布呈现区域性的特 点，上覆岩层裂隙发育多以大角度为主，该研究方 法对复杂地质条件下的煤层瓦斯抽采以及矿井突水 〔9] 的防控具有重要的参考价值。 3 随着工作面的不断推进，采空区逐渐被压 实，岩层的下沉量减少，上部岩层逐渐形成了稳定 [11] 的較接梁结构，遏制了裂隙继续向上发育，导水裂 隙的发育高度趋于稳定。运用多种方法对导水裂隙 p 发育高度进行分析，综合所得结果可预测导水裂隙 的发育高度为5460.8m。 参考文献 U3]参考文献 U3] [1] 许家林.岩层采动裂隙演化规律与应用[M].徐州中国 [14] 矿业大学出版社，2016. 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