采空区上覆岩层“三带”的界定准则和仿真确定

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

。610· 北京科技大学学报 2006年第7期 6m,倾角3°.开采煤层为13-1煤层.煤层底板为 灰褐色泥岩，顶板以上的煤层和岩层分布简图如 裂职带衡便 0 图1所示. 弹性风城 上留岩层及表土 砂质泥岩 细砂岩 拉伸屈展区 泥岩 25 煤 粉砂岩 泥岩 13-2煤 200 230 20m290 320 350 砂质泥岩 泥岩 13-1煤 图2塑性结果图 砂质泥岩 Fig.2 Plastic result 图1模拟模型煤岩层分布简图 Fig 1 Coal and rock stratum distribution of the simuation model 哭留币高难 2.2模拟模型的建立 因工作面的长度远小于煤层的走向，可以作 为平面应变问题来处理，所以建立二维FLAC网 1500 格模型来模拟.为了消除应力边界和位移边界效 应，二维计算模型的长和高分别设置为550m和 200 230260290320350 220m,采煤工作面沿走向布置.为了便于建模和 剖分，同时充分体现各岩层组合特征，将研究区内 图3y方向位移等值线图 力学性质相近的岩层归并为一组，因此研究区内 Fig 3 Displacement contour chart of y direction 岩层共划分为12个层组.模拟时，计算模型边界 条件确定如下：①模型的两端的x方向的位移固 定，即边界水平位移为零；②模型底部的y方向 落带高度 位移固定，即底部边界水平、垂直位移为零；③模 40 型顶部（也即地表）为自由边界. 30 25 2.3力学模型和力学参数的确定 岩石是一种脆性材料，当荷载达到屈服强度 15 200230260290320 350 后将发生破坏、弱化，应属于弹塑性体.在FLAC x/m 中，对于弹塑性材料，其屈服判据准则有德拉克一 图4x方向位移等值线图 普拉格准则和莫尔-库仑准则.本项研究选择莫 Fig 4 Displacement contour chart ofx direction 尔一库仑准则.计算模型中各岩层力学参数基本 来源于矿山实测数据，包括弹性模量、泊松比、内 往上是曾经为塑性但现在处于弹性状态的区域 聚力、内摩擦角、抗拉强度和密度等参数剑 (图中文字标注的暗色区域，此区域由于恢复了弹 2.4模拟结果 性，己没有裂隙，因此不认为是裂隙带，而认为己 为符合开采实际，模拟计算从形成初始应力 经进入弯曲下沉带)，再往上是另外一个拉伸破坏 场开始.模拟过程中，通过模拟开挖将开挖空间 区（由于这个拉伸破坏区下部是处于屈服过的弹 的实单元变成空单元.采煤工作面设计规格为： 性区域因此这个拉伸破坏区将不会产生裂隙，认 走向长1650m,倾向长150m.基于上述采煤工 为这个区域仍然是弯曲下沉带).而裂隙带和冒 作面规格和开采方法，利用建立的模型进行模拟 落带都发生了拉伸屈服，只不过由于冒落带被压 计算，塑性结果图如图2所示.图3是y方向的 实后，裂隙带将不会跨落而只是保留有裂隙.从 位移等值线图，图4是x方向的位移等值线图. 图2中可以看出，曾经是塑性但现在处于弹性状 2.5模拟结果分析 态的部分将不会有裂隙存在，这个区域可视为塑 从塑性结果图中可以看出，采空区上方首先 性变形区，可以将这一带的下限作为裂隙带的上 是拉伸屈服区（图中文字标注的亮色区域，接着 限，也就是将发生拉伸屈服的区域和曾经是塑性

6m, 倾角 3°.开采煤层为 13-1 煤层.煤层底板为 灰褐色泥岩, 顶板以上的煤层和岩层分布简图如 图 1 所示 . 图 1 模拟模型煤岩层分布简图 Fig.1 Coal and rock stratum distribution of the simulation model 2.2 模拟模型的建立 因工作面的长度远小于煤层的走向, 可以作 为平面应变问题来处理, 所以建立二维 FLAC 网 格模型来模拟.为了消除应力边界和位移边界效 应, 二维计算模型的长和高分别设置为 550 m 和 220 m, 采煤工作面沿走向布置 .为了便于建模和 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, 因此研究区内 岩层共划分为 12 个层组.模拟时, 计算模型边界 条件确定如下:①模型的两端的 x 方向的位移固 定, 即边界水平位移为零;②模型底部的 y 方向 位移固定, 即底部边界水平 、垂直位移为零 ;③模 型顶部( 也即地表) 为自由边界 . 2.3 力学模型和力学参数的确定 岩石是一种脆性材料, 当荷载达到屈服强度 后将发生破坏、弱化, 应属于弹塑性体.在 FLAC 中, 对于弹塑性材料, 其屈服判据准则有德拉克- 普拉格准则和莫尔-库仑准则.本项研究选择莫 尔-库仑准则 .计算模型中各岩层力学参数基本 来源于矿山实测数据, 包括弹性模量 、泊松比 、内 聚力 、内摩擦角 、抗拉强度和密度等参数[ 8] . 2.4 模拟结果 为符合开采实际, 模拟计算从形成初始应力 场开始.模拟过程中, 通过模拟开挖将开挖空间 的实单元变成空单元 .采煤工作面设计规格为: 走向长 1 650 m, 倾向长 150 m .基于上述采煤工 作面规格和开采方法, 利用建立的模型进行模拟 计算, 塑性结果图如图 2 所示.图 3 是 y 方向的 位移等值线图, 图 4 是 x 方向的位移等值线图. 2.5 模拟结果分析 从塑性结果图中可以看出, 采空区上方首先 是拉伸屈服区( 图中文字标注的亮色区域) , 接着 图 2 塑性结果图 Fig.2 Plastic result 图 3 y 方向位移等值线图 Fig.3 Displacement contour chart of y direction 图 4 x 方向位移等值线图 Fig.4 Displacement contour chart of x direction 往上是曾经为塑性但现在处于弹性状态的区域 ( 图中文字标注的暗色区域, 此区域由于恢复了弹 性, 已没有裂隙, 因此不认为是裂隙带, 而认为已 经进入弯曲下沉带) , 再往上是另外一个拉伸破坏 区( 由于这个拉伸破坏区下部是处于屈服过的弹 性区域, 因此这个拉伸破坏区将不会产生裂隙, 认 为这个区域仍然是弯曲下沉带) .而裂隙带和冒 落带都发生了拉伸屈服, 只不过由于冒落带被压 实后, 裂隙带将不会跨落而只是保留有裂隙 .从 图2 中可以看出, 曾经是塑性但现在处于弹性状 态的部分将不会有裂隙存在, 这个区域可视为塑 性变形区, 可以将这一带的下限作为裂隙带的上 限, 也就是将发生拉伸屈服的区域和曾经是塑性 · 610 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2006 年第 7 期

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 ·

。612* 北京科技大学学报 2006年第7期 落带的高度（离煤层顶板8m).最后由该矿瓦斯 【到贾剑青王宏图，唐建。采煤工作面采动裂隙带的确定方 抽放的实际情况对本文提出的“三带”划分方法进 法.中国矿业.2004.13(11)：45 [4尹增德，李伟，王宗胜。尧州矿区放顶煤开采覆岩破坏规律 行了有力的验证，结果证明该划分准则合理有效. 探测研究.焦作工学院学报，199,18(4)：235 (3)由于“三带”分析属于大变形，因此本文 【习张杰，侯忠杰。浅埋煤层导水裂隙发展规律物理模拟分析. 使用了更适用于大变形分析的有限差分数值分析 矿山压力与顶板管理，2004(4)：32 软件FLAC.而使用有限元分析软件也可以完成 【(邹海，桂和荣，王桂梁，等.综放开采导水裂隙带高度预测 这项工作，可以将两种计算结果进行比较，进一步 方法.煤田地质与勘探.1998.26(6)：45 【7)涂敏.潘谢矿区采动岩体裂隙发有高度的研究.煤炭学报， 对三带”进行分析研究. 2004.29(6:643 参考文献 【习查文华，谢广祥，华心祝.综放采场围岩压力分布规律数值 模拟研究.矿山压力与顶板管理2004(4)：2 【刂梁粱运培，文光才.顶板岩层“三带”划分的综合分析法.煤炭 「身尹尚先，王尚旭。陷落桩影响采场围岩破坏和底板突水的 科学技术.2000.28(5)：39 数值模拟分析.煤炭学报，200328(3)：264 【】熊晓英，杜广森，李俊斌。注水实验法探测导水裂隙带高 【10涂敏，刘泽功.综放开采顶板离层裂隙变化研究。煤炭科 度.煤炭技术.2004.23(2)：77 学技术.2004.32(4)：45 Dividing guideline and emulating determination of"three zones"of the depress- ing zones overlying a goaf HUANG Zhian,TONG Haifang2,ZHANG Yinghua,LI Shibo,NI Wen,SONG Jiangu XING Yi) 1)Civil and Envimonmental Engineering School.Uni versity of Science and Techmlogy Beiing.Beijing 100083.Chima 2)Beijing Kuangtong Resource Developm ent Consult ing Co..Beijing 100037,China 3)Huajin Coking Coal Company.Lishi033315.China ABSTRACT In order to divide "three zones"of the depressing zones overlying a goaf accurately,the guideline to divide the "three zones"is presented:specifying the height of the rock stratum whose stress surpasses the yield or shear strength of itself as the upper bound of the fracture zone,while specifying the height of the rock stratum whose two-w ay tensile stress both surpasses the tensile strength of itself as the low bound of the fracture zone.FLAC softw are was used to detemmine the boundary of a coal mine that was validated by the effect of corresponding methane drainage.The result indicates that the division guideline is rational and useful.This method can be used generally to divide "three zones"of the depressing zones over- lying a goaf. KEY WORDS coal;methane drainage;"three zones"division;numerical simulation

落带的高度( 离煤层顶板 8 m) .最后由该矿瓦斯 抽放的实际情况对本文提出的“三带”划分方法进 行了有力的验证, 结果证明该划分准则合理有效. ( 3) 由于“三带”分析属于大变形, 因此本文 使用了更适用于大变形分析的有限差分数值分析 软件 FLAC .而使用有限元分析软件也可以完成 这项工作, 可以将两种计算结果进行比较, 进一步 对“三带”进行分析研究. 参 考 文 献 [ 1] 梁运培, 文光才.顶板岩层“三带”划分的综合分析法.煤炭 科学技术, 2000, 28( 5) :39 [ 2] 熊晓英, 杜广森, 李俊斌.注水实验法探测导水裂隙带高 度.煤炭技术, 2004, 23( 2) :77 [ 3] 贾剑青, 王宏图, 唐建.采煤工作面采动裂隙带的确定方 法.中国矿业, 2004, 13( 11) :45 [ 4] 尹增德, 李伟, 王宗胜.兖州矿区放顶煤开采覆岩破坏规律 探测研究.焦作工学院学报, 1999, 18( 4) :235 [ 5] 张杰, 侯忠杰.浅埋煤层导水裂隙发展规律物理模拟分析. 矿山压力与顶板管理, 2004( 4) :32 [ 6] 邹海, 桂和荣, 王桂梁, 等.综放开采导水裂隙带高度预测 方法.煤田地质与勘探, 1998, 26( 6) :45 [ 7] 涂敏.潘谢矿区采动岩体裂隙发育高度的研究.煤炭学报, 2004, 29( 6) :643 [ 8] 查文华, 谢广祥, 华心祝.综放采场围岩压力分布规律数值 模拟研究.矿山压力与顶板管理, 2004( 4) :2 [ 9] 尹尚先, 王尚旭.陷落桩影响采场围岩破坏和底板突水的 数值模拟分析.煤炭学报, 2003, 28( 3) :264 [ 10] 涂敏, 刘泽功.综放开采顶板离层裂隙变化研究.煤炭科 学技术, 2004, 32( 4) :45 Dividing guideline and emulating determination of “three zones” of the depress￾ing zones overlying a goaf HUANG Zhian 1) , TONG Haifang 2) , ZHANG Y inghua 1) , LI Shibo 1) , NI Wen 1) , SONG Jianguo 3) , X ING Yi 1) 1) Civil and Environment al Engineering S chool, Uni versit y of Science and Tech nology Beijing, Beijing 100083, C hina 2) Beijing Kuangtong Resource Developm ent Consulting Co ., Beijing 100037, China 3) Huajin Coking Coal Company, Lishi 033315, China ABSTRACT In order to divide “ three zones” of the depressing zones overlying a goaf accurately, the g uideline to divide the “three zones” is presented :specifying the heig ht of the rock stratum w hose stress surpasses the yield or shear strength of itself as the upper bound of the fracture zone, while specifying the height of the rock stratum whose tw o-w ay tensile stress bo th surpasses the tensile streng th of itself as the low bound of the fracture zone .FLAC softw are w as used to determine the boundary of a coal mine that was v alidated by the effect of corresponding methane drainage .The result indicates that the division guideline is rational and useful.This method can be used generally to divide “three zones” of the depressing zones over￾lying a goaf . KEY WORDS coal ;methane drainage;“ three zones” division ;numerical simulation · 612 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2006 年第 7 期