近距离高瓦斯煤层群首采工作面顶板裂隙发育规律研究

近距离高瓦斯煤层群首采工作面顶板裂隙发育规律研究


2024年4月28日发(作者:宾得k52s)

第20卷第1期 

安徽建筑工业学院学报(自然科学版) 

Vo1.20 No.1 

2012年2月 

Journal of Anhui Institute of Architecture&Industry 

Feb.2012 

近距离高瓦斯煤层群首采工作面顶板 

裂隙发育规律研究 

张德万, 肖峻峰, 卢 平 

(安徽建筑工业学院土木工程学院,合肥230601) 

摘要:确定顶板瓦斯运移规律及其富集区是综合治理高瓦斯工作面卸压瓦斯的关键。本文对我国西部地 

区典型的近距离高瓦斯煤层群4.2m大采高工作面回采过程中顶板裂隙演化特征进行FI AC如模拟,研究得 

出在工作面顶板覆岩lO倍采高处,纵向裂隙和横向裂隙发育最剧烈且相互导通,形成高瓦斯富集区。此对大 

采高工作面卸压瓦斯的安全高效治理具有理论和实际指导意义。 

关键词:FLAC3。;顶板裂隙;瓦斯运移通道;瓦斯富集区 

中图分类号:TD712.6 文献标识码:A 文章编号:1006—4540(2012)01—025—04 

Study on roof cracks development law of the first—mined face 

during close-distance high gas coal seams group 

ZHANG De-wan,XIAO Jun—feng,LU Ping 

(School oI civil engineering,Anhui University of Architecture,Hefei,230601,Anhui,PR China) 

Abstract:The definition of roof cracks development law and gas concentration zone iS criticaI for corn— 

prehensive control of gas with pressure relief in high gas face.In this paper,roof cracks evolution 

character in 4.2m thick first—mined face during close-distance high gas coal seams group in western re— 

gion of our country was studied by FLACa。software.Results show that it is in 1 0 times mining height 

of roof strata that the longitudinal and lateral cracks developed violently。communicated mutually and 

formed abundant gas concentration zone.It can help to safely and efficiently contro1 gas with pressure 

relief from large mining height face in theoretical and practical aspect. 

Key words:FLACⅢ;roof cracks;gas flow passage;rich gas concentration zone 

我国煤矿大多为高瓦斯煤层群赋存条件,特 围岩应力场重新分布,上覆岩层划分为“三 

征为“三高一低”,80 9/6以上重大恶性事故与瓦斯 

带”[3 ],根据“砌体梁”理论_5 ],采空区顶板岩 

有关,目前瓦斯治理仍是世界性难题¨1 ]。对于 

层卸压,产生裂隙L7 ],规则垮落带和断裂带中顶 

4m以上大采高工作面而言,上、下向扰动卸压范 板岩层产生卸压膨胀,存在竖向裂隙发育区,该区 

围更大,邻近层瓦斯大量涌人工作面,瓦斯控制难 域离层裂隙和竖向破断裂隙发育,横向和竖向裂 

度大,因此在厚煤层大采高条件下探寻瓦斯富集 

隙贯通,并和不规则垮落带相连通,为围岩卸压瓦 

区域及其运移规律尤为重要。煤层回采后工作面 

斯和本煤层工作面采空区积聚的瓦斯提供良好的 

收稿日期:2011—12—28 

基金项目:安徽建筑工业学院硕博科研启动项目(No.2006120122)、国家自然科学基金(50974002、41172147)、安徽省教育厅自然科 

学重点项目(KJ20l0AO580)。 

作者简介:张德万(1984一),男,在读硕士研究生,主要研究方向为矿山安全。 

26 安徽建筑工业学院学报(自然科学版) 第2O卷 

储集场所l_9]。 

针对我国西部地区典型的近距离高瓦斯煤层 

群4.2m大采高工作面,本文利用FLA 。软件进 

行模拟,通过分析煤层开采后顶板覆岩纵向位移 

场、纵向应力场和横向应力场的变化,得出煤层顶 

板覆岩移动规律和裂隙发育规律。 

1 24207工作面概况 

24207工作面是我国西部地区典型的高瓦 

斯、大采高、松软顶板工作面,隶属山西省华晋焦 

煤有限责任公司沙曲矿。工作面底板标高在+ 

36Om一4-450m之间,地面标高为+862m一+ 

1007m。工作面回采3 +4 合并煤层,厚度在 

3.85m一4.36m之间,平均4.20m,瓦斯含量 

11.72 /t。2 煤层上距3#+4 煤层平均20m, 

平均厚度为1.04m,瓦斯含量10.65m。/t;5 煤层 

下距3 +4 煤层平均5.6m,平均厚度为3.3m, 

瓦斯含量12.06m。/t。工作面伪顶不发育,局部 

有0.2m的泥岩;直接顶为灰黑色中细砂质泥岩, 

厚度5.5m;老顶为灰白色中砂岩,厚度5.59m;直 

接底为1.1m的灰色中砂岩;老底为2.5m的黑色 

粉砂岩。工作面设计走向长度1663m,倾向长度 

220m,工作面整体呈单斜构造,煤层走向330。,倾 

向SW,倾角4。一7。,平均倾角5。。 

2 FLAC。D基本原理 

FLAC。。(3一Dimensional Fast Lagrangian 

Analysis of Continua)_1 u]是用于工程力学计算 

的显式有限差分程序。该程序可模拟土、岩石等 

材料的力学行为。快速拉格朗日分析采用混合离 

散方法,将区域离散为常应变六面体单元的集合 

体,又将每个六面体看作以六面体角点的常应变 

四面体的集合体,应力、应变、节点不平衡力等变 

量均在四面体上进行计算。快速拉格朗日分析用 

速率来求某一时步的单元应变增量,即: 

△%一丢( ,+ (1) 

有了应变增量,即可由本构方程求出应力增 

量,各时步的应力增量叠加即可得到总应力。作 

用在可变形固体上的方程组为本构关系,或者称 

为应力一应变准则。首先由速度梯度得出应变速 

率,公式如下: 

一 

[警+警] (2) 

式中, 为应变率分量; 为速度分量。 

本构关系的形式如下: 

:一M(a , , ) (3) 

式中,M()为本构关系的函数形式,k为可能 

出现也可能不出现的一个历史参数,依赖于特定 

的定律;“:一”为“由…代换”。 

般说来,非线性的本构定律以增量的形式 

表示,因为应力和应变之间的对应关系并非唯一 

的,上式给出了以前的应力张量和应变(应变增 

量)下对应战略的新估计值。最简单的本构定律 

为各向同性的弹性本构关系: 

:一 4-{岛(K一专G)垂KK+2Geo}At 

(4) 

式中,岛为Kronecker符号;At为时间步;G、K为 

剪切模量和体积模量。 

3模型的建立及计算 

本模型选择以沙曲矿24207工作面为原型, 

建立受覆盖岩层重力作用即在重力场作用下的三 

维空间力学模型。为便于建模和剖分,同时充分 

体现各岩层组合特征,将研究区内力学性质相近 

的岩层归并为一组。 

坐标系按如下规定:z轴为煤层走向方向,Y轴 

为煤层倾向方向, 轴为竖直方向即重力方向。沿z 

轴方向长600m,Y轴方向长400m, 轴方向高150m, 

模型底边即z=0处到地面设定高度为600m,煤层 

倾角5。,模型自下到上分为16组岩层,共划分30000 

个单元体,33201个节点,3 +4 煤层为模拟的开采 

煤层,且划分为模型的第7层(sq7)。据上述参数及 

条件,模型网格划分图如图1所示。 

图1模型网格图 

工作面为仰采面,模型从z一50m处开切眼, 

采高为4.2m,采面倾向长度为220m,模拟开采分 

第1期 张德万,等:近距离高瓦斯煤层群首采工作面顸板裂隙发育规律研究 27 

为6个阶段,开采长度分别为lOm,20m,20m, 

50m,50m,50m,即从x一50处开采到x一250处, 

累计开采200m。模型计算采用莫尔一库仑(Mo- 

hr--Coulomb)屈服准则。 

4模拟结果分析 

(1)横向离层裂隙发育区分析 

当工作面向前推进时,采空区上方上覆岩层 

将产生离层裂隙,在FLAC。。数值计算分析过程 

中,纵向位移可真实地反映岩层沉降而产生离层 

裂隙发育状况。图2不同累计进尺下 一100面 

上的竖向位移云图。 

由图2可看出,在距离切眼50m(z—i00)的切 

面上,纵向位移场均呈不均匀沉降状态分布;每个阶 

段的开采过程中,该面上的竖向位移最大值分别是 

3.52mm、II.98mm、27.47mm、77.86mm、107.55mm 

和147.48mm。随着工作面的推进和采动影响,在竖 

直方向上出现不均匀下沉,沉降量不同的岩层将伴 

随着横向裂隙发育。位移变化趋势与回采推进距离 

直接相关,而位移变化的大小与距开采煤层顶板的 

高度有关。工作面顶板裂隙的发育可以通过工作面 

顶板以上不同倍采高的纵向位移随工作面推进的变 

化进行考察。图3为工作面顶板以上不同倍采高竖 

向位移随工作面推进的变化曲线。 

震l圈{ 

J 

(e)累计进) ̄150m,x=lO0切面竖向位移云图(D累计进尺2oom =l00切面烃向位移云图 

圈2不同累计进尺下z—100面上的竖向位移云图 

开采到距离切眼的位置 

冀一 

m 5om】00m 15om 2o0m 

-●・5倍聚商 

t7 

IO倍采商 

l3f 聚高 

掊粟高 

(a)距离切UI ̄10m(x=60的切面) 

开采到距离切眼的位置 

m 5r)m 1onm150m 20I Im 

、 

f: 薷丽 

●7 采 

10倍聚‘ 

一I3*采, 

・_I5* 0 

Co)距离切I] ̄50m(x=1O0的切面) 

图3工作面顶板以上不同倍采高竖向位移随 

"1-作面推进的变化曲线 

由图3(a)可以看出,在距离切眼lOm切面(z 

一60)上,当工作面累计推进lOm时,5—15倍采 

高处沉降量比较均匀,几乎重合为一条曲线,也相 

对较小,沉降不明显,离层裂隙发育也不明显;当 

工作面累计推进30m时,不同采高处开始呈不均 

匀沉降,随着工作面的推进,13、15倍采高沉降曲 

线趋于重合,位于所有曲线上面,而5、7倍采高的 

下沉曲线趋于重合且,位于所有曲线的下方,10 

倍采高处纵向位移曲线位于所有曲线中间。图3 

(b)可以看出类似于图3(a)的变化趋势。当工作 

面累计进尺到切眼50m切面处及之前,不同倍才 

高处纵向位移曲线趋于重合;采过切面后,曲线分 

离,不同倍采高下沉不均匀性加剧,5、7倍接近重 

合,13、15倍接近重合,10倍处于两条重合曲线 

中间。 

通过对比图3(a)、(b)曲线的变化,可以判断 

在工作面顶板以上10倍采高处覆岩离层最明显, 

横向裂隙发育最剧烈;当工作面采过切面后,不同 

倍采高处下沉的不均匀性才开始加剧,是因为采 

空区顶板覆岩受采动影响后应力场重新分布而逐 

渐被压实。图4是煤层累计开采200m时在x一 

60倾向切面纵向应力云图和x===60倾向切面上 

28 安徽建筑工业学院学报(自然科学版) 第20卷 

不同倍采高的竖向应力(szz)的变化情况。由图4 

可看出,随着工作面的逐步推进,采空区顶板覆岩 

应力先释放再回复的变化规律,表明采空区顶板 

・■-x=60 

覆岩随开采逐步被压实。 

(a)x=60倾向切面纵向应力云图 

0.00E+00 

开采到距离切眼的位置 

m 30m 50m l00m l50m 20 

2.00E+07 

..-l倍采高 

邑.400E+07 

_.卜3倍采高 

60oE+07 

・ 

..I5倍采高 

j 

画{.OOE+07 

/ ==I}% 一 

・●-7倍采高 

厂 ■ — 

・■-l0倍采高 

1,00E+07 

 ̄lmDl3倍采高 

1 20E+07 

-—--l5倍采高 

1.40E+O7 

(b)x=60t ̄向切两纵向应力变化曲线 

图4 x=60倾向切面上随工作面推进不同倍采高竖向应力变化 

(2)纵向裂隙发育区分析 

煤层开采后,卸压区内岩层以拉应力为主,当 

其超过岩体的极限抗拉强度时,便出现纵向裂隙, 

因此在顶板覆岩周期断裂时,煤壁前方顶板岩层 

内产生开口向上的纵向裂隙,在煤壁后方顶板岩 

层内产生开口向下的纵向裂隙_1 。图5为顶板 

以上不同倍采高处水平应力(tOt向)随工作面推进 

的变化曲线。可以看出,13和15倍采高处,采前 

和采后水平应力(Y方向)始终保持受压状态,不 

会出现纵向裂隙;7倍和1O倍采高区域,随着工 

作面的推进,水平应力值(倾向)均由负变为正,说 

明应力从原始的受压变状态成采动后的受拉状 

态,且最大为3.80×1O pa,模拟分为16层,顶板 

7—10倍各层抗拉强度极限最大为1.8×1O pa, 

固会产生纵向裂隙,考虑重力场重新分配,由图4 

可知7采高陪以下将随着工作面的推进而逐渐被 

压实,判定顶板以上7陪到10倍采高出处于纵 

向裂隙最发育区。 

..●- =8O 

—● 100 

・ ;15O 

- =20O 

(a)顶板以上7倍采高 

开采到距离切眼的位置 

2 O0E+O6 —————————————————一 

・●・,c=60 

..Oa-=80 

。●_r=100 

—●■=150 

 ̄t-=200 

(b)顶板 ̄l-10倍采高 

开采到距离切眼的位置 

・・x=60 

●a=80 

‘.-x=l00 

一 150 

・一x=200 

(c)顶板 ̄J:13倍采高 

开采到距离切眼的位置 

0 00E+00 …~一 一 — —— —— 一…一一——~・ —— 

5.00E+051 ̄kn 30m 50m 100m 150m 200m 

 ̄x=60 

,"It-x=80 

-●・x=l0o 

■r 

-u-x=l50 

"'x=200 

一~

二二 

(d)项板以上15倍采商 

图5顶板以上不同倍采高处水平应力(倾向)随"1-作面 

推进的变化曲线 

5结 论 

按照沙曲矿24207工作面的实际地质条件, 

基于FLC3。软件的基本原理,建立了相似模型,进 

行了采动上覆岩层移动规律及裂隙发育的三维快 

速拉格朗日分析,得到如下主要结论: 

(1)竖向位移场均呈现不均匀沉降状态分布, 

不同倍采高处的位移采前下沉基本一致,采后下 

沉不均匀性加剧,并且随着工作面的逐步推进,采 

空区逐步被压实。 (下转第55页) 

第1期 何俊,等:基坑降水及综合措施在安徽颍上县耿楼枢纽工程中的应用 55 

专人负责,每日定期观测,做好记录。发现特殊情 

况及时报告。 

降水施工的效果是分不开的。不同的工程有不同 

的地质条件和工程工况,只要我们针对性的,通过 

合理的计算和施工,采用不同的降水方案,就能取 

得很好的效果。 

参考文献 

1龚晓南.深基坑工程设计施工手册I-M].北京:中国建 

测压管管底不高于13m高程,测压管上部周 

围用粘土封堵,防止漏气。待施工至地面时,拆除 

测压管,孔眼用粘土填实。 

进行降水时在周围设置一定数量的沉降观 

测点。 

4结束语 

本工程施工期为16个月,经历1个洪水期, 

发生10年一遇标准以上洪水的可能性是存在的, 

为此必须考虑发生10年一遇以上洪水的特殊情 

况。虽然节制闸位于旱地施工,但节制闸紧邻沙 

颍河大堤,仍有必要做好安全度汛工作。 

通过理论计算和结合现场实际地质条件和工 

程工况,颍上耿楼枢纽的深井降水施工取得了良 

好的效果,确保了基坑开挖的安全和开挖后的干 

施工。应该说颍上耿楼枢纽的顺利完工,跟深井 

(上接第28页) 

(2)工作面顶板以上5倍和7倍采高沉降均 

匀,13倍和15倍趋于一致,顶板以上1O倍采高 

处离层明显,横向裂隙最发育。 

(3)工作面顶板以上7—10倍采高处以拉应 

力为主,在顶板覆岩周期断裂时顶板岩层内产生 

纵向裂隙。 

(4)工作面顶板以上10倍采高处,纵横向裂 

隙发育剧烈且相互导通,成为良好的瓦斯运移通 

道,属于高瓦斯富集区域。 

参考文献 

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