Vol. 30 ! No. 3
Mar 2021
第30卷第3期2021年3月
中国矿业
CHINA MINING MAGAZINE
余北建
(阳泉煤业(集团)有限责任公司，山西阳泉045000)
摘要：为研究寺家庄煤矿15106工作面回采过程中上覆岩层裂隙的动态发育规律，基于工作面覆岩地 质条件，采用理论分析、数值模拟和相似模型实验的方法研究覆岩裂隙的发育，并划分“三带”。依据矿业
控制理论，得到垮落带高度为14.37〜17.25 m，裂隙带高度为54.8〜72.6 基于UDEC 软件，模拟得到 k 2石灰岩底板距离煤层顶板18 m 为跨落带高度，毗石灰岩底板距离煤层顶板66 m 为裂隙带高度&根据
相似模型实验得到垮落带高度为18 m，裂隙带高度为64 理论分析、数值模拟和模型实验得到覆岩“三 带”高度基本一致，以坚硬的石灰岩高度为准，确定垮落带高度18 m，裂隙带高度66 m，为高抽巷层位选取 提供了一定的理论指导&
关键词：覆岩；裂隙；UDEC 软件；相似模型；三带
中图分类号：TD821 文献标识码：A 文章编号：10044051(2021)03019305
Study on the “three zones ” of overburden fracture in the 15106 coal
face of Sijiazhuang coal mine
YU Beijian
(Yangquan Coal Industry (Group ) Limited Liability Company ， Yangquan 045000， China )
Abstract : In order to study the dynamic development law of overlying strata fissures during the mining
processof15106 workingfaceinSijiazhuangcoalmine !basedonthegeologicalconditionsoftheoverlying strataoftheworkingfacetheoreticaldevelopmentnumericalsimulationandsimilarmodelexperimentsare
usedtostudythedevelopmentofoverburdenfractureszones Accordingtothe miningcontroltheory the heightofcavingzoneis14 37-17 25 m !andtheheightoffracturedzoneis54 8-72 6 m Based on the
UDEC software,the simulation results show that the k 2 limestone floor is 18 m from the roof of the coal seam and the height of the k 4 limestone floor is 66 m from the roof of the coal seam. According to the
similarmodelexperiment !theheightofcavingzoneis18 m !andtheheightoffracturedzoneis64 m. Theoreticaldevelopmentnumericalsimulationandmodelexperimentsshowthattheheightof “threezones ” oftheoverburdenisbasica l ythesame.Basedontheheightofthehardlimestonetheheightofcavingzone
is18 m !andtheheightoffracturedzoneis66 m.Theresultsprovidesometheoreticalguidanceforthe
selectionofhighdrainagelanes.
Keywords : overlying rock ； fracture ； UDEC software ； similar model ； three-zone
传统“三带”理论认为1，工作面向前推进，顶板 岩层悬露继而破坏垮落，在顶板垮落过程中，上覆岩
层可形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，三个岩层移
动和变形各有特点的空间区域。煤炭在地下开采过 程中，岩体不断受到扰动，应力重新分布并引起采场
围岩破断垮落国内外学者就矿山压力与岩层移
收稿日期：2019-1107
责任编辑：刘硕
基金项目：低透气性煤层开采低位抽放巷瓦斯治理技术项目资助(编号:YM17057)
作者简介：余北建(1963 — )，男，山2平定人，高级工程师，阳泉煤业(集团)有限责任公司副总经理,E-mail 1993907459@qq. com .
引用格式：余北建.寺家庄煤矿15106采煤工作面覆岩裂隙"三带”规律研究HJ 1中国矿业，2021,30(3) 1
93-197. doi ;10. 12075/j. issn. 1004-
4051 2021 03 007
194中国矿业第30卷
动开展了大量研究工作，提出了“压力拱假说+自然平衡拱+悬臂梁假说+预成裂隙假说+胶接岩块假说”和“传递岩梁假说”等多种理论假说「注&
家矿巷抽采层瓦斯掩护巷道掘进，回采期间需瓦巷、低位瓦巷理采空区与上隅角瓦斯，一个工作面的回采需要6条巷道，矿现管理条、工程、采掘衔接难，将底板岩巷与瓦巷合二，既可用于预
层瓦巷掘进，也可兼顾抽采上隅角与采空区瓦斯&因此研究工作面回采过程中上岩层裂隙动态发，分析裂隙发育带区。寺家矿15106工作面覆岩破坏的研究段理论分析「6(、模拟「7切、材料模拟实验「10，岩裂隙动态发，划分“三带”
&
1工程概况
寺家庄煤矿15106综采工作面主采15.煤层，平均埋深480m。15106工作面可采走向长度1484m，采长286.2m，共有5条巷道，分别巷、工作面底板岩石预抽巷、高抽巷、工作面巷、回风巷，采用*”通风方式。工作面正常日推进度定为6.4m,15106工作面15.煤层平均厚度为
5.4m，平均倾角4j，&15.煤层了'5，矿井矿井，工作面原始瓦达到
11.04m3/t；预瓦于8m3/t，
性较小。工作面瓦斯压力较小，在0.1〜0.5MPa 之间&15106综采工作面存在2个地面钻孔，结合矿井综合柱状采面覆岩岩性及&
2覆岩“三带#里论讨
“三带”是指当煤层开采后，采空区周围岩体便会产生岩体的移动变形，当岩体的变形和移动超过围岩体极限变形时，岩体便会发生破坏&岩移动破坏程度，可岩层移动区域分为“三带带、裂隙带和弯曲下沉带&
矿压控制相关理论，一般工作面顶板上覆岩层垮落带中硬覆岩用式(1)计算，坚硬覆岩用式(2)计算&
"4采19±22"927〜1437⑴H”=2•囂616±22"1725〜22252)式中,M采为煤层采高，取5.4m&
层上部薄的泥岩，上部具有较厚的细砂岩，再往上是坚硬的石灰岩，整体属于中硬和坚硬之间，所以垮落带高度为14.37〜17.25m。裂隙带最大高度坚硬覆岩计算见式(3)&
-E裂=鳥,,62±8-9"54.8〜72.6(3)式中,M裂为裂隙带，m。
由于覆岩具有较多的石灰岩和砂岩，整体属于坚硬岩石，所以裂隙带高度为54.8〜72.6m&
3覆岩裂隙［DEC
3.1数值模型
通用离散元程序UDEC6.0软件中，基于15106面上覆岩层岩性及厚度建立500mX120m的二维模型，依据岩性选取Mohr-Coulomb塑性模型对应的岩层，主要研究区域采用细网格单分，其研究采用的不等单格划分，网格划分见图1&层条件，设定重力(，模型顶部简载荷9.5MPa，重力梯度设为24kPa/m，侧压系数设为1，模型底部和两侧的方移&模型设计共计回采25次，每次8m，共回采200m，模型中层低板分别为0m、5.4m、23.4m、41.4m、71.4m处即煤层板层顶板k2灰岩板k3灰岩板k4石灰岩底板监测线、监测位移力&
图1网格划分模型图
Fig.1Meshing model diagram
3.2模拟结
模型分别回采40m、112m、200m时，分别距层板0m41.4m71.4m处监测
力分布见图2。回采至40m处，未出现垮落，采空现力集中，采空部层底板处力接近，临近覆岩处力C&采112m顶板垮，采200m，采空中部分岩重压实，力，层板k3灰岩板处力变，k4灰岩底板处应力变化较小，受采动影响较才、&
回采200m时的覆岩裂隙分布见图3。图3中下方方岩全垮落，失去原有形态，裂隙分多。k2灰岩板，层顶板18m，带。图3中上方方：域，裂隙分，不仅有离层裂隙，穿层裂隙也
第3期余北建：寺家庄煤矿15106采煤工作面覆岩裂隙“三带”规律研究
195
较为均匀分布，其高度位于k 4石灰岩底板，距离煤
层顶板66 m，为裂隙带。而66 m 以上，采空区中部 岩层近乎没 层裂隙，这些岩层基本符合整体移 动，是弯曲下沉带&
fffjW
(c)回采200 m
(a)回采40 m
(b)回采 112 m
图2监测线处垂直应力分布
Fig. 2 Vertical stress distribution at the monitoring line
图3回采200 m 时裂隙分布图
Fig. 3 Fracture distribution map when mining 200 m
4覆岩裂隙相似模拟实验
4.1实验模型
模拟实验是为了研究工作面覆岩裂隙发育
规律，基于试验台尺寸：长X 宽X 高为3 000 mmX
250 mmX 2 000 mm 。设定模型与实体之间的几何
相似比为200、时间相似比为14. 14、应力相似比为
320。实验模型中
移观测点，相似材料为沙
子、石灰、
水，按照
模型材料&模
型模拟煤岩层范围：底板以下12. 6 m，顶板 1至
地表480 m，煤层平
5. 4 m，共计模拟煤岩层高
度约498 m，采用模拟材料高度约280 m，其余高度
用配重模拟至地表，配重高约218 m 。4.2 回采过程
模型中每次回采5 cm，然后记录位移、应变、破 断角、垮
、垮 、裂隙发育情况等，其中回采
58 cm 、120 cm 、208 cm 时模型状态见图4。
4.3覆岩裂隙形态分析
采
采距用L 表示。直接顶每次破
断长度、
接顶 、跨高。煤层 岩层每
次的 长度、 老顶 、跨高。回采
中覆岩 及
层高见图5。直接顶垮落层高
基本为2 cm，初次破断距为28 cm，周期破断距基本 稳定在7 cm 。老顶垮落层高基本稳定在9 cm，初次
38cm , 周 期
基 15cm 。 老 顶
垮
接顶垮
的二倍&可得
垮落带 9 cm，实
18 m 。
图 4 监测 线 垂直 应 分
Fig. 4 Vertical stress distribution at the monitoring line
图5采距与垮落关系
Fig. 5 Relationship between mining distance
andcorruption
煤层上覆岩层受煤层回采影响，发生明显移动
的岩层高度称为移动层高，用H 表示，移动层高与 上部未发生移动的岩层间空隙的 空隙高，用
196
中国矿业
第30卷
力表示&采距与移动层高、空隙高关系见图6。
采 移动层高的二倍，随工作面回采移
动层
段 会 式 & 作面回采，空隙
达
，且下 i
减小，达
，采空区重新压实后，空
隙咼略 ，推测此后空隙 移动
现周期
变化，变动幅值不大。
岩的碎胀性可由移动层高的差值与空隙高差 ，分别分析回采过程中累计及移动层高的 与空隙
，见图7。煤层回采85 cm 时,
移动层高为32 cm，煤层回采90 cm 时，移动层高为
47cm 。 分析 层 采 程 中 空 隙
移 动 层
高差的值与移动层高关系可知，移动层高为32 cm
平
，移动层高达到47 cm 下 下降，可
岩高32 cm 时岩石
胀性 ，其裂隙也发育，高出32 cm 后覆岩碎胀性
裂隙发育也
分。由此可
裂隙带
32cm ，
实
64 m
。
4
80
4020
100
3 2
m W 恤w
於>
图6采距与移动层高、空隙高关系
Fig. 6 The relationship between the mining distance andthemovinglayerheightandthegapheight
图7移动层高与比值关系
Fig. 7 Moving layer height and ratio relationship
4.4覆岩“三带”判定
理论分析、数值模拟和模型实验得到覆岩“三 带+
见图8。以坚硬的石灰岩 准，确
定垮落带高18 m，裂隙带高66 m 。
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实线为垮落带高
理论计算UDEC 模拟相似实验
图8
“三带”高度对比示意图
Fig. 8 "Three zones# high contrast diagram
5结论
理论分析、数值模拟和模型实验得到覆岩“三
带”高度基 ，以坚硬的石灰岩 准，确定垮落带高18 m，裂隙带高66 m ，
巷层
；取
了 的理论指导&
1$
矿业控制理论，结合覆岩岩性及层厚，
得到垮落带
14. 37〜17. 25 m，裂隙带最大高
度为 54. 8〜72. 6 m 。
2）基于UDEC 软件程序，模拟得到k 2石灰岩
底板 层顶板18 m 带 ，k 4石灰岩
板 层顶板66 m 为裂隙带，66 m
弯
下 带 。
3$
模型实验得到垮落带高度为18 m,
裂隙带
64 m 。
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