D01:10.13374j.isml00103x.206.07.001 第28卷第7期 北京科技大学学报 Vol.28 Na 7 2006年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jul.2006 采空区上覆岩层“三带”的界定准则和仿真确定 黄志安) 童海方2 张英华)李示波)倪文) 宋建国到 邢 奕) 1)北京科技大学士木与环境工程学院.北京1000832)北京矿通资源开发咨询有限责任公司.北京100037 3)华晋焦煤有限责任公司，离石033315 摘要为了准确划分采空区上覆岩层的三带”范围，提出了“三带”的界定准则测：将应力超过屈 服强度或抗剪强度的岩层高度定为裂隙带的上限，而将双向拉应力都超过抗拉强度的岩层高度定 为裂隙带的下限.采用FLAC软件对矿山进行了界限确定，通过生产实践中的瓦斯抽放效果进行 了验证，结果表明该界定方法合理有效.此方法可普遍用于采空区上覆岩层的“三带”划分. 关键词煤：瓦斯抽放：“三带”划分：数值模拟 分类号TD712.622 煤层开采后，采空区上覆岩层将形成三带”， 一某一方向的拉应力超过岩体的抗拉强度而产 准确地划分“三带”，是“三下”采煤可行性研究和 生一定方向的张裂隙：(4)拉张破坏区一在双 设计的基础，是覆岩离层充填技术研究和应用的 向拉应力作用下，岩层被拉断、拉开而产生大变 基础，是突出矿井解放层选择和开采设计的基础， 形，岩层以冒落为主：(5)局部拉张区一由于覆 也是上邻近层瓦斯抽放研究和实施的基础刂.目 岩整体向采空区下沉，在下沉范围的边缘出现拉 前对“三带”的研究大多是通过实验途径2，而 应力，使岩体发生某种程度的张裂隙，一般情况 没有从理论上进行量的划分.本文正是基于这一 下，这些张裂隙与拉张裂隙区不沟通，其间有未破 思路，从理论途径进行了研究，提出了“三带”的力 坏区和塑性变形区相隔67. 学界定，并通过数值模拟的方式对“三带”进行量 拉张破坏区主要分布在采空区上方拉应力区 化研究，最后通过矿山瓦斯抽放来验证划分方法 岩层内：其上部发育拉裂隙区，产生单向或双向裂 的可行性 隙：塑性变形区主要发生在支撑压力区和拉张裂 1“三带”力学界定准则的提出 隙区之上的下沉盆地中岩层内，其上岩层处于未 破坏区可.由此，可以将弹性区和塑性变形区划 根据矿压原理及实测研究，煤层开采以后其 分成弯曲下沉带，将拉张裂隙区划分成裂隙带，而 上覆岩层在垂直方向的破坏和移动一般分为“三 将拉张破坏区及局部拉张区划分成冒落带.为 带”（从下至上），即垮落带（或称冒落带）、裂隙带 此，将岩层应力超过了屈服强度或抗剪强度而开 (或称断裂带)和弯曲下沉带.传统的“三带”概念 始发生塑性变形或剪切破坏的岩层高度定为裂隙 主要是从破坏形式上进行定义的.而没有从机理 带的上限，而将岩层双向拉应力都超过了抗拉强 上进行定义，也没有从量的角度定义“三带”，这就 度而开始发生大变形的岩层高度定为裂隙带的下 给实际操作带来了困难.比如瓦斯抽放，抽放通 限.这就是本文提出的“三带”力学界定准则. 道最佳位置是裂隙带，如果无法准确划出“三带” 界限，就无法将抽放通道准确布置到理想位置， 2FLAC模拟及结果分析 煤层开采后，上覆岩层自上而下可以分为5 首先利用FLAC建立开采模型，施加边界条 个区：(1)弹性区一岩体在开采影响下未发生 件并进行求解后，获取各个单元的弹塑性变化结 任何破坏：(2)塑性变形区一韧性岩层发生塑 果图和位移等值线图，再结合上面提出的“三带” 性变形.脆性岩层发生剪切破坏：(3)拉张裂隙区 界定方法进行分析，即可获得“三带”的界限. 收稿日期：2005-05-16修回日期：2005-10-10 2.1采煤工作面概况 作者简介：黄志安(1973一)，男，博士研究生：倪文(1961一)，男， 本实验使用淮南某矿采煤工作面作为实例， 教授.博士生导师 该工作面长度150m,顺槽长度1650m,煤层厚度采空区上覆岩层“三带”的界定准则和仿真确定 黄志安1) 童海方2) 张英华1) 李示波1) 倪 文1) 宋建国3) 邢 奕1) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 2) 北京矿通资源开发咨询有限责任公司, 北京 100037 3) 华晋焦煤有限责任公司, 离石 033315 摘 要 为了准确划分采空区上覆岩层的“ 三带” 范围, 提出了“ 三带” 的界定准则:将应力超过屈 服强度或抗剪强度的岩层高度定为裂隙带的上限, 而将双向拉应力都超过抗拉强度的岩层高度定 为裂隙带的下限.采用 FLAC 软件对矿山进行了界限确定, 通过生产实践中的瓦斯抽放效果进行 了验证, 结果表明该界定方法合理有效.此方法可普遍用于采空区上覆岩层的“ 三带”划分. 关键词 煤;瓦斯抽放;“ 三带” 划分;数值模拟 分类号 TD712 +.622 收稿日期:2005 05 16 修回日期:2005 10 10 作者简介:黄志安( 1973—) , 男, 博士研究生;倪文( 1961—) , 男, 教授, 博士生导师 煤层开采后, 采空区上覆岩层将形成“三带” . 准确地划分“三带”, 是“三下”采煤可行性研究和 设计的基础, 是覆岩离层充填技术研究和应用的 基础, 是突出矿井解放层选择和开采设计的基础, 也是上邻近层瓦斯抽放研究和实施的基础[ 1] .目 前对“三带”的研究大多是通过实验途径[ 2 5] , 而 没有从理论上进行量的划分.本文正是基于这一 思路, 从理论途径进行了研究, 提出了“三带”的力 学界定, 并通过数值模拟的方式对“三带”进行量 化研究, 最后通过矿山瓦斯抽放来验证划分方法 的可行性 . 1 “三带”力学界定准则的提出 根据矿压原理及实测研究, 煤层开采以后其 上覆岩层在垂直方向的破坏和移动一般分为“三 带”( 从下至上) , 即垮落带( 或称冒落带) 、裂隙带 ( 或称断裂带) 和弯曲下沉带.传统的“三带” 概念 主要是从破坏形式上进行定义的, 而没有从机理 上进行定义, 也没有从量的角度定义“三带”, 这就 给实际操作带来了困难.比如瓦斯抽放, 抽放通 道最佳位置是裂隙带, 如果无法准确划出“三带” 界限, 就无法将抽放通道准确布置到理想位置 . 煤层开采后, 上覆岩层自上而下可以分为 5 个区:( 1) 弹性区———岩体在开采影响下未发生 任何破坏 ;( 2) 塑性变形区———韧性岩层发生塑 性变形, 脆性岩层发生剪切破坏;( 3) 拉张裂隙区 ———某一方向的拉应力超过岩体的抗拉强度而产 生一定方向的张裂隙;( 4) 拉张破坏区———在双 向拉应力作用下, 岩层被拉断 、拉开而产生大变 形, 岩层以冒落为主 ;( 5) 局部拉张区 ———由于覆 岩整体向采空区下沉, 在下沉范围的边缘出现拉 应力, 使岩体发生某种程度的张裂隙, 一般情况 下, 这些张裂隙与拉张裂隙区不沟通, 其间有未破 坏区和塑性变形区相隔[ 6 7] . 拉张破坏区主要分布在采空区上方拉应力区 岩层内;其上部发育拉裂隙区, 产生单向或双向裂 隙;塑性变形区主要发生在支撑压力区和拉张裂 隙区之上的下沉盆地中岩层内, 其上岩层处于未 破坏区[ 6] .由此, 可以将弹性区和塑性变形区划 分成弯曲下沉带, 将拉张裂隙区划分成裂隙带, 而 将拉张破坏区及局部拉张区划分成冒落带 .为 此, 将岩层应力超过了屈服强度或抗剪强度而开 始发生塑性变形或剪切破坏的岩层高度定为裂隙 带的上限, 而将岩层双向拉应力都超过了抗拉强 度而开始发生大变形的岩层高度定为裂隙带的下 限.这就是本文提出的“三带”力学界定准则. 2 FLAC 模拟及结果分析 首先利用 FLAC 建立开采模型, 施加边界条 件并进行求解后, 获取各个单元的弹塑性变化结 果图和位移等值线图, 再结合上面提出的“三带” 界定方法进行分析, 即可获得“三带”的界限 . 2.1 采煤工作面概况 本实验使用淮南某矿采煤工作面作为实例, 该工作面长度 150 m, 顺槽长度 1 650m, 煤层厚度 第 28 卷 第 7 期 2006 年 7 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .28 No.7 Jul.2006 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2006.07.001