采动裂隙场的演化规律

采用UDEC软件进行数值模拟，它以离散元法为理论基础，已经被广泛应用于岩体的非稳定性研究和节理裂隙等问题分析中。模拟煤岩块体选为莫尔-库仑弹塑性模型。

1）数值计算模型

建立两个数值计算模型，即走向模型和倾斜模型。走向模型用来考察不同开采程度下覆岩裂隙场演化规律及对戊9-10煤层的影响；倾斜模型是研究在倾斜方向上覆岩运移规律及对上部煤层的保护作用。

（1）模型的基本几何参数

以平煤神马集团十二矿己15-17200工作面作为研究对象，建立力学模型。煤层倾角按15°进行模拟，己15煤层平均厚度为4m，沿x轴方向长566m、y轴方向长502m、z轴方向高440 m。模型上边界施加其上方岩层的自重应力。

（2）模型的物理力学参数

为接近实际，在选取煤、岩体物理力学参数时，以煤层覆岩物理性质参数为根据（表6.3）。

表6.3　物理力学参数

（3）计算模型边界条件

根据模型设计原则，在模型尺寸选取上考虑了消除边界效应的影响，据此确定边界条件如下：

模型左右两侧及底部均为法向位移约束，即左右边界限制水平方向位移，而允许节点沿垂直方向位移；底部边界限制垂直方向位移，而允许水平方向位移。模型的上部为载荷边界条件，根据模型埋深，按自重应力计算上部边界作用力。

式中　σy——垂直原岩应力，MPa；(www.xing528.com)

　　　——岩土层平均密度，取2 500 kg／m3；

　　　H——模型上边界距地表垂直距离，m。

平煤神马集团十矿己15-17200工作面采深平均为550 m，覆岩平均密度为2 500 kg／m3，可知上覆岩体加载压力为：

2）采动岩体裂隙演化数值模拟分析

在走向模型中模拟从130 m处的开切眼向右推进，工作面推进速度为每次30 m，分10次开挖，一共模拟推进300 m。工作面推进过程中，上覆岩层裂隙的演化过程及位移如图6.9、图6.10所示。限于篇幅，这里对典型情况——工作面推进30 m、90 m和150 m及沿倾向进行分析。

采煤工作面从开切眼开始向右推进，在工作面后方形成一定的自由空间，由于现实中支架的支护作用以及直接顶本身有一定的强度，开挖10 m后，直接顶没有立即冒落。当工作面推进至30 m时，直接顶悬露面积超过自身允许值后，开始冒落，同时基本顶岩层开始出现水平离层裂隙，裂隙影响区域较小，影响高度在15 m左右；推进到90 m时，己14煤层上覆砂质泥岩冒落，基本顶可以看作一端嵌入岩体，另一端悬于采空区悬臂梁，当悬露长度达到某一极限值后，基本顶发生断裂、冒落，下部已经冒落的岩层由于受到上方冒落岩层重力的作用，离层裂隙闭合，裂隙带影响高度增加，垂直位移较大区域扩展到50 m左右。工作面继续推进，基本顶周期性断裂，当工作面推到150 m时，煤层达到充分采动，由于岩石的碎胀性，采空区基本上被充满，上部覆岩有较小的离层，裂隙区影响高度达到60m左右，垂直位移较大区域高度达到90m，戊9-10煤层处于弯曲下沉带，煤层底板下沉急剧增加，说明戊9-10煤层已经开始受到己15-17200的采动影响。

图6.9　不同推进距离覆岩裂隙场形态及位移量云图

图6.10　沿倾向裂隙场形态及位移云图

断裂角是冒落带显著断裂的位置点和断裂带离层发育的边界点连线与采空区一侧煤层平面的夹角。根据数值模拟结果，量得开切眼和工作面的断裂角分别为69°和66°，沿倾向的断裂角按与开切眼的断裂角相同为69°。