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河下采煤覆岩采动裂隙分布特征的数值分析

王旭锋，张东升，马立强，刘玉德，封金权
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中国矿业大学能源与安全工程学院，江苏徐州（221008）
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煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州（221008）
E-mail：[e-mail]
摘要：基于某煤矿工程地质条件，较为详细地分析了煤系地层中隔水层的存在性及河流下
采煤的可行性，运用非线性数值分析软件UDEC，分析了采场走向及倾向采动裂隙演化规律
及分布特征，并以岩体综合强度为变量计算了导水裂隙带的高度。分析结果表明：导水裂隙
带高度与理论计算相吻合，充分采动条件下，工作面走向裂隙带分布呈“前”高“后”低的类“马
鞍型”形态，工作面两端头是防治工作面突水的重点。研究结果对防止工作面突水及保护西
部极其脆弱的生态环境有重要意义，为河下安全采煤及保水开采的应用提供了参考。
关键词：河下采煤；采动裂隙；分布特征；数值分析

1引言
水体下安全采煤一直是煤矿开采研究的热点与难点问题之一，作为重要内容的采动裂隙
场分布特征的研究，将为阻断导水通道及合理留设防水煤岩柱提供重要理论依据。一方面防
止工作面突水，保证矿井的安全高效生产，释放矿井呆滞煤量，延长矿井服务年限，提高矿
井的综合经济效益；另一方面，保护地表水资源，对缓解我国面临的严重缺水现状和保护生
态环境有着重要意义。
2地质条件概述
该井田位于我国西部，以低山丘陵为主，地表有某河自南东向北西穿过矿区。该河属季
节性河流，来水迅速，流量变化大，流向与设计工作面走向平行，且位于工作面倾向中部。
工作面煤炭储量约80万t，煤厚4.5m，煤层倾角3～5º，煤质优良，埋深277.7m。

2.1煤系地层

分析矿区相关的工程地质条件，是成功实现河流下采煤的基础。

矿区地层出露良好，主要为中奥陶统马家沟组(O2s)、石炭系中统本溪组(C2b)、二迭系

下统下石盒子组(P1x)及第四系(Q)，厚度及岩性从上到下依次描述如表1。

表1主要煤系地层

Tab.1Maincoalmeasuresstrata

地层年代厚度/m岩性描述

Q0~65棕黄色黄土状粉砂质土，局部含钙质结核。

P1x110灰色及灰黑色泥岩、粉砂岩、灰白色砂岩。

C2b6兰灰色铝质泥岩、灰色薄层粉砂岩，含碎屑状泥岩，砂质泥岩。

O2s105深灰色厚层状石灰岩夹灰黄色泥灰岩和钙质泥岩薄层。

2煤4.88全区稳定可采，结构简单，厚度变化小，局部含一层夹矸石。

1本课题得到教育部“新世纪优秀人才支持计划”(NCET-05-0480)；中国矿业大学科技基金（2005B002）；
“江苏省普通高校研究生科研创新计划”的资助。

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2.2隔水层
结合钻探对地层揭露的情况和地质精查报告成果，认为该区存在如下较好的隔水层：
1中石炭统本溪组中分布的铝质泥岩，局部变相为粉砂质泥岩，厚度约为2m；
2上石炭统及下二迭统中分布的铝质泥岩、泥岩及粉砂岩，厚度达10m以上。
此外，该区第四系冲积层主要以砾、砂砾及次性亚砂土组成，含水量小，因此也是良好
的隔水层。
3采动覆岩裂隙分布特征分析
研究表明，河下采煤裂隙分布特征与工作面推进速度、开采方法、覆岩破断形成结构的
空间特征及其稳定程度等因素有关，本文主要从开采后覆岩裂隙分布特征和裂隙带高度方面
进行分析。

3.1模型建立
UDEC是针对非连续介质模型的二维离散元数值计算程序，可以形象直观地反映岩体运
动变化各力学参量的变化，准确记录块体之间的相对运动，用边界命令可以分析覆岩裂隙场
分布[1]。
根据该矿煤岩层综合柱状图，确定模型大小为走向×倾向=500m×320m。计算采用摩
尔—库仑屈服准则

1+sinϕ1+sinϕ
σ=σ+2c（1）
131−sinϕ1−sinϕ

式中：σ1，σ3分别为最大主应力和最小主应力；c，φ分别为材料的粘结力和摩擦角。
采用平面应变模型，左右边界限制x方向的位移，下部边界限制x、y方向位移，垮落
法管理顶板。力学模型岩层参数及层间距离如图1及表2所示。分别研究工作面推进过程中
[2]
沿走向和倾向裂隙演化和分布特征。

表2UDEC模型中主要岩层物理力学参数
Tab.2MechanicalparametersofthecoalseamandstratainUDEC
厚度体积模量内聚力摩擦角密度
岩性
/m/GPa/MPa/º/kg·m-3
覆岩65195222300
基本顶93010302700
直接顶1.2106282500
煤层4.532201400
底板32013252600

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表土层