Vol.28 No.7 黄志安等：采空区上覆岩层“三带”的界定准则和仿真确定 ·611。 但现在处于弹性状态的区域之间的界限定为裂隙 发育丰富区的高度在13m左右，为走向抽放钻孔 带的上限.根据图中单元的显示情况可以看出， 的最佳层位，这与FLAC数值模拟的结果相一致， 这一上限离131煤的顶板约20m. 证明本文“三带”划分方法合理有效 由于莫尔一库仑理论无法解释拉伸破坏，即 对于FLAC模拟而言，难以从抗拉强度的角度获 00 取冒落带的高度，只能寻求其他途径.从图3和 回风巷 2号钻场 图4中还可以看出，在采空区以上8m位置，等值 3号钻场 线密集，说明位移变化很快，有一个突变，突变情 1号钻场 况也可从位移图观察到.另外，这个位置上部的 进风巷 0 位移变化己经稳定（通过命令plot his n可以看到 o 这一情况)，而下部的位移还不是定数.从数值模 拟的角度来看，采空区上部8m以上开始趋于收 图5顶板走向钻孔布置示意图 敛，而以下趋于不收敛.事实上，裂隙带由于变形 Fig,5 Layout of roof strike drill holes 小，各个参数值具有确定值，因此都将趋于收敛， 而冒落带由于各个位置在冒落后位置都不确定， 14r 其受力也具有不确定性，因此其参数值趋于不收 12 敛.为此，可以将突变上面的部分确定为裂隙带， 10 而将下面的部分确定为冒落带9.基于此分析 可将采空区以上8m位置定为冒落带的高度. 按照本文提出的“三带”界定准则，结合 FLAC模拟分析，可以确定出裂隙带的上限高度 4 5★92十420 为距煤层垂距约20m高度处，下限为自煤层底板 ℉煤层顶板距离m 约8m高度处，20m以上为弯曲下沉带，8m以下 图6钻孔瓦斯抽放量分布曲线 为冒落带， Fig.6 Distribution curve of drill-hole mechanic drainage flux 3 瓦斯抽放应用情况 在研究结果应用期间，抽放瓦斯量最大达到 淮南某矿进行了钻孔瓦斯抽放实验，在综放 1245m3·min1,瓦斯抽放率接近50%.这样在 工作面上风巷内侧沿走向每隔50~60m布置一 保证工作面的风量达到1800m3·mim时，工作 钻场，共设6个钻场，每钻场内沿走向布置3~5 面上隅角回风流中的瓦斯浓度不超限，共抽放瓦 个抽放钻孔.抽放钻孔尽量布置在工作面顶板冒 斯量1.60×10m3.同时该实验方法还成功应用 落后的裂隙带内，每个钻场的钻孔均超前前一钻 于准南矿区的许多采煤工作面，取得了显著的社 场20m以上，如图5所示.钻孔施工、封孔完毕 会效益和经济效益0. 后，即通过管道连接到瓦斯抽放泵上进行抽放，抽 4结论 放负压在46.66~80.00kPa之间.为了考察钻孔 抽放效果，在设计1号钻场钻孔参数时，采用了较 (1)提出了煤矿开采后采空区上覆岩层“三 大的仰角钻孔，以便确定抽放最有效的钻孔空间 带”的力学划分准则，即将岩层因为应力超过了屈 位置.由实测得钻孔抽放瓦斯量与钻孔距煤层顶 服强度或抗剪强度的岩层高度定为裂隙带的上 板的垂直距离如图6所示.由图6可知：当顶板 限，而将岩层双向拉应力都超过了抗拉强度的岩 走向钻孔距离煤层顶板垂距4~8m时，瓦斯抽放 层高度定为裂隙带的下限. 量较小：钻孔距煤层垂距10~16m时，抽放量最 (2)针对淮南某煤矿，使用先进的FLAC数 大，3个孔抽放量600m3min1,抽放量占工作 值模拟方法，并结合本文提出的三带”划分准则， 面总涌出量的23%：根据1号钻场，抽放量在 获取了该矿开采过程中的“三带”高度：将发生拉 3.35~634m3mim1左右，抽放浓度在49%~ 伸屈服的区域和曾经是塑性但现在处于弹性状态 85%.距离煤层顶板由15~22m时，瓦斯抽放量 的区域之间的界限定为裂隙带的上限（离煤层顶 却逐渐降低.据此可判定采场上方顶板离层裂隙 板20m),将裂隙带下部的位移突变高度作为冒但现在处于弹性状态的区域之间的界限定为裂隙 带的上限.根据图中单元的显示情况可以看出, 这一上限离 13-1 煤的顶板约 20 m . 由于莫尔-库仑理论无法解释拉伸破坏, 即 对于 FLAC 模拟而言, 难以从抗拉强度的角度获 取冒落带的高度, 只能寻求其他途径.从图 3 和 图 4 中还可以看出, 在采空区以上 8 m 位置, 等值 线密集, 说明位移变化很快, 有一个突变, 突变情 况也可从位移图观察到.另外, 这个位置上部的 位移变化已经稳定( 通过命令 plot his n 可以看到 这一情况) , 而下部的位移还不是定数.从数值模 拟的角度来看, 采空区上部 8 m 以上开始趋于收 敛, 而以下趋于不收敛 .事实上, 裂隙带由于变形 小, 各个参数值具有确定值, 因此都将趋于收敛, 而冒落带由于各个位置在冒落后位置都不确定, 其受力也具有不确定性, 因此其参数值趋于不收 敛.为此, 可以将突变上面的部分确定为裂隙带, 而将下面的部分确定为冒落带[ 9] .基于此分析, 可将采空区以上 8 m 位置定为冒落带的高度. 按照本文提 出的“ 三带” 界 定准则, 结合 FLAC 模拟分析, 可以确定出裂隙带的上限高度 为距煤层垂距约 20 m 高度处, 下限为自煤层底板 约 8 m 高度处, 20 m 以上为弯曲下沉带, 8 m 以下 为冒落带 . 3 瓦斯抽放应用情况 淮南某矿进行了钻孔瓦斯抽放实验, 在综放 工作面上风巷内侧沿走向每隔 50 ～ 60 m 布置一 钻场, 共设 6 个钻场, 每钻场内沿走向布置 3 ～ 5 个抽放钻孔.抽放钻孔尽量布置在工作面顶板冒 落后的裂隙带内, 每个钻场的钻孔均超前前一钻 场20 m 以上, 如图 5 所示.钻孔施工、封孔完毕 后, 即通过管道连接到瓦斯抽放泵上进行抽放, 抽 放负压在 46.66 ～ 80.00kPa 之间.为了考察钻孔 抽放效果, 在设计 1 号钻场钻孔参数时, 采用了较 大的仰角钻孔, 以便确定抽放最有效的钻孔空间 位置 .由实测得钻孔抽放瓦斯量与钻孔距煤层顶 板的垂直距离如图 6 所示.由图 6 可知 :当顶板 走向钻孔距离煤层顶板垂距 4 ～ 8 m 时, 瓦斯抽放 量较小 ;钻孔距煤层垂距 10 ～ 16 m 时, 抽放量最 大, 3 个孔抽放量 6.00 m 3·min -1 , 抽放量占工作 面总涌出量的 23 %;根据 1 号钻场, 抽放量在 3.35 ～ 6.34 m 3 ·min -1左右, 抽放浓度在 49 %～ 85 %.距离煤层顶板由 15 ～ 22 m 时, 瓦斯抽放量 却逐渐降低.据此可判定采场上方顶板离层裂隙 发育丰富区的高度在 13 m 左右, 为走向抽放钻孔 的最佳层位, 这与FLAC 数值模拟的结果相一致, 证明本文“三带”划分方法合理有效 . 图 5 顶板走向钻孔布置示意图 Fig.5 Layout of roof strike drill holes 图 6 钻孔瓦斯抽放量分布曲线 Fig.6 Distribution curve of drill-hole mechanic drainage flux 在研究结果应用期间, 抽放瓦斯量最大达到 12.45m 3·min -1 , 瓦斯抽放率接近 50 %.这样在 保证工作面的风量达到 1 800 m 3 ·min -1时, 工作 面上隅角回风流中的瓦斯浓度不超限, 共抽放瓦 斯量 1.60 ×10 6 m 3 .同时该实验方法还成功应用 于淮南矿区的许多采煤工作面, 取得了显著的社 会效益和经济效益[ 10] . 4 结论 (1) 提出了煤矿开采后采空区上覆岩层“三 带”的力学划分准则, 即将岩层因为应力超过了屈 服强度或抗剪强度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的岩 层高度定为裂隙带的下限 . (2) 针对淮南某煤矿, 使用先进的 FLAC 数 值模拟方法, 并结合本文提出的“三带”划分准则, 获取了该矿开采过程中的“三带” 高度 :将发生拉 伸屈服的区域和曾经是塑性但现在处于弹性状态 的区域之间的界限定为裂隙带的上限( 离煤层顶 板20 m) , 将裂隙带下部的位移突变高度作为冒 Vol.28 No.7 黄志安等:采空区上覆岩层“三带” 的界定准则和仿真确定 · 611 ·