0 引言

随着厚煤层的开采和工作面的不断推进，上覆岩层发生移动和破裂，在岩层中形成分离层和各种裂隙。根据岩层的破坏范围和强度，自下而上分成了垮落带、导水裂缝带和弯曲下沉带，统称为“三带”。确定“三带”高度对矿井开采设计、防治水灾、瓦斯抽采、顶板管理和安全高效生产都十分重要。

国内外学者对顶板“三带”高度的确定进行了大量的研究，崔国宏[1]利用高位钻孔数据拟合、理论计算和数值模拟相结合的方法对赵庄矿3号煤层的发育高度进行了研究；张伟龙等[2]采用钻孔双端封堵侧漏装置探测技术深入研究了桑树坪煤矿二号井3号煤层的覆岩发育规律；崔鹏飞等[3]将理论计算、RFPA数值模拟和现场实测结合在一起确定了采空区覆岩的“三带”高度；李树刚等[4-6]进行了室内相似模拟实验，得到煤层开采后覆岩裂隙发育情况；徐磊等[7]利用网络并行法对贵州五轮山煤矿1805工作面顶板的“三带”发育进行了动态监测分析，得到了顶板上覆岩层的变化破坏规律；邵国安等[8]采用理论分析和现场工业性实验相结合的方法研究了山西小回沟煤矿2201工作面上覆岩层“三带”高度的分布特征；刘俊华[9]采用理论分析与公式计算的方法对综放工作面上覆岩层结构的形成及“三带”的影响因素进行了分析；刘志高等[10-14]使用UDEC数值模拟软件对煤矿发育的“三带”高度进行研究；余北建[15]将理论分析、相似模拟实验以及数值模拟相结合，对寺家庄煤矿15106工作面的覆岩裂隙发育情况进行研究，并得到“三带”高度的具体范围。

河南焦煤能源有限公司中马村煤矿(以下简称“中马村煤矿”)3906工作面具有厚煤层复合顶板高瓦斯放顶煤的特征，厚煤层复合顶板放顶煤的覆岩垮落规律存在一定的复杂性。因此，笔者采用理论计算和UDEC数值模拟相结合的方法，对中马村煤矿3906工作面的上覆岩层发育特征进行研究，研究结果可指导该矿在水体下进行安全开采，同时对类似地质条件下的覆岩破坏规律研究也具有重要的借鉴意义。

1 工程背景

河南焦煤集团中马村煤矿位于焦作煤田中部，目前开采二叠系山西组底部的二1号煤层。中马村煤矿属煤与瓦斯突出矿井，自开采以来共发生煤与瓦斯突出26次，突出标高-46 m，煤层瓦斯含量为10～30 m3/t。该矿井水文地质条件复杂，自开采以来共发生突水65次，属于涌水量很大的矿井，含水层多且受断层的影响，连通性较好，对矿井生产影响极大。

中马村煤矿3906工作面煤层平均厚度6.3 m，煤层平均倾角11°，工作面走向长513 m，倾斜宽146 m，井下平均标高-330 m，地面平均标高+138 m，煤层平均埋深473 m。顶板为泥岩、砂岩以及泥岩与粉砂岩互层，为复合顶板，工作面采用综合机械化放顶煤开采工艺，全部垮落法管理顶板。3906工作面煤层顶底板综合地质柱状如图1所示。

2 上覆岩层“三带”高度理论计算

煤层开采之后，上覆岩层的破坏高度即“三带”高度与许多地质条件有关，目前还未出现具体的表达式进行确定，因此计算大多采用经验公式。根据煤层的埋藏条件以及采煤方法，采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》[16]的公式进行计算。

中马村煤矿3906工作面煤层上覆岩层岩性综合评价为中硬岩层，上覆岩层包括的泥岩、中粒砂岩、粉砂岩厚67 m。选择《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》合适的公式进行计算。

垮落带高度如式(1)所示：

HK=6M+5

(1)

式中：HK——垮落带高度，m；

M——采厚，m。

导水裂缝带高度如式(2)所示：

(2)

式中：Hli——导水裂缝带高度，m。

将相关数值代入式(1)和式(2)，可以得到3906工作面的垮落带高度42.8 m，导水裂缝带高度73.03～93.87 m。

3 上覆岩层“三带”发育的数值模拟

3.1 数学模型

采用UDEC数值模拟软件通过对块体进行切割，将材料分成各种离散的块体集合，用于模拟非连续介质如岩体中的节理裂隙等，模型中的块体模拟岩石材料的变化破坏过程符合摩尔-库仑准则。数值模拟的数学公式如式(3)所示：

(3)

式中：R——应力圆半径，m；

C——岩石粘聚力，MPa；

φ——岩石的摩擦角，(°)；

σ1 ——最大主应力，MPa；

σ3——最小主应力，MPa；

3.2 模型建立

为了更好模拟回采过程中工作面以及采空区裂隙发育程度，建立简化版的UDEC二维模型，模型的长度为513.0 m，高度为82.8 m。模型上边界的前后左右4个侧面为单约束边界，施加水平方向的约束，即边界水平位移为零，至允许边界结点沿垂直方向运动；模型底部为全约束边界，即底部边界结点水平位移、垂直位移均为零；模型的载荷边界条件，根据模型埋深，原岩自重应力作用在上部边界上。建立的物理模型如图2所示。

3.3 煤岩力学基础参数

根据中马村煤矿3906工作面的实际情况、煤层埋深，物理模型共包含11层，煤层及其顶底板岩石力学计算参数见表1，主要岩层节理参数见表2，模型中各煤岩层厚度均为实际平均厚度。

3.4 数值模拟结果分析

3906工作面采厚6.3 m。随着工作面的推进，3906工作面上覆岩层垮落与工作面推进距离的关系如图3所示。

由图3可以看出，当工作面推进40 m，上覆岩层16.0～30.5 m处的泥岩和中粒砂岩开始离层垮落；工作面推进80 m，上覆岩层16.0～30.5 m处的泥岩和中粒砂岩全部垮落，垮落高度达到30.5 m；工作面推进120 m，上覆岩层30.5～40.0 m处的泥岩和砂岩开始垮落；工作面推进160 m，上覆岩层30.5～40.0 m处的泥岩和砂岩全部垮落；工作面推进200 m，上覆岩层40.0～73.30 m处的泥岩、粉砂岩以及中粒砂岩初次破裂；工作面推进240 m，采空区逐步压实；工作面推进280 m，采空区裂隙基本闭合，煤的采空区上部裂隙密集；工作面推进320 m，采空区完全压实，采空区上部裂隙闭合。根据数值模拟的计算结果可以得到中马村3906工作面在采厚6.3 m时，垮落带高度为36.8 m，导水裂缝带高度为73.30 m。

4 上覆岩层“三带”高度对比分析

将理论计算和数值模拟得到的垮落带和导水裂缝带高度进行对比分析，见表3。

由表3可知，数值模拟得到的垮落带结果与理论计算得到的结果相差较小，最大误差为14%，属于工程误差允许范围；数值模拟得到导水裂缝带的高度位于理论计算得到的结果范围内，理论计算和数值模拟得到的垮落带和导水裂缝带数值基本吻合，这也验证了研究结果的可靠性。

通过自主设计的智能注水封孔测试装置，利用冲洗液消耗量现场实测对3906工作面顶板“两带”发育的实际情况进行了现场试验，通过3906工作面钻孔试验结果分析得出导水裂缝带高度75.00～80.00 m，现场实测结果与理论计算和数值模拟结果基本一致，这也从侧面验证了本次研究结果的可靠性。

5 结论

(1)根据理论计算经验公式，结合覆岩岩性及煤厚等地质条件，计算得到了中马村煤矿厚煤层复合顶板3906工作面垮落带的高度为42.8 m，导水裂缝带高度为73.03～93.87 m。

(2)利用UDEC数值模拟软件得到中马村煤矿厚煤层复合顶板3906工作面垮落带高度为36.8 m，导水裂缝带高度为73.30 m。

(3)数值模拟得到的垮落带结果与理论计算得到的结果相差不大；数值模拟得到导水裂缝带的高度位于理论计算得到的结果范围内，与现场实测的结果也基本一致，验证了研究结果的可靠性。

(4)研究成果对工作面的瓦斯治理及顶板灾害的预防提供了理论支撑，并且对类似地质条件下覆岩破坏规律研究具有重要的借鉴意义。

参考文献：

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[2] 张伟龙,黄克军,张杰,等.桑树坪煤矿二号井3#煤“三带”发育规律研究[J].陕西煤炭,2020,39(S1):175-178,208.

[3] 崔鹏飞,陈向军.大采高工作面采空区“三带”高度判定研究[J].煤,2022,31(3):8-13,72.

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[12] 郝军.复合顶板厚煤层综采工作面“三带”动态分布研究[J].煤,2015,24(5):12-14,22.

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[16] 胡炳南,张华兴,宝宏.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南[M].北京:煤炭工业出版社,2018.

Study on development characteristics of "three zones" of overlying strata of working surface with combined roof in thick coal seam

LI Haifang1, LIU Jiajia2,3,4, YANG Di2

(1. Zhongmacun Coal Mine of Henan Jiaozuo Coal Energy Co., Ltd., Jiaozuo, Henan 454005, China;2. College of Safety Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, Henan 454003, China;3. State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines, Anhui University of Science &Technology, Huainan, Anhui 232001, China;4. Collaborative Innovation Center of Coal Work Safety and Clean High Efficiency Utilization, Jiaozuo, Henan 454003, China)

Abstract According to the variation law of fissure development of overlying strata in the mining process of 3906 working face with combined roof in thick coal seam in Zhongmacun Coal Mine of Henan Jiaozuo Coal Energy Co., Ltd., combined with the geological conditions and mining technology of 3906 working face, the development characteristics of "three zones" of overlying strata were studied by theoretical calculation and UDEC numerical simulation. The results show that the height of caving zone in 3906 working face is 42.8 m and the height of water-conducting fracture zone is 73.03～93.87 m obtained by theoretical calculation; while the height of caving zone is 36.8m and the height of water-conducting fracture zone is 73.30 m obtained by UDEC numerical simulation; the results of theoretical calculations and numerical simulations are basically consistent with the results of field measurement, which verifies the reliability of the research results.

Keywords thick coal seam; combined roof; caving zone; water-conducting fracture zone; theoretical calculation; numerical simulation

中图分类号 TD322.1

文献标志码 A

引用格式：李海芳,刘佳佳,杨迪.厚煤层复合顶板工作面上覆岩层“三带”发育特征研究[J].中国煤炭,2023,49(7)∶56-60. DOI:10.19880/j.cnki.ccm.2023.07.007LI Haifang, LIU Jiajia, YANG Di. Study on development characteristics of "three zones" of overlying strata of working surface with combined roof in thick coal seam [J]. China Coal,2023,49(7): 56-60.DOI:10.19880/j.cnki.ccm.2023.07.007

基金项目：国家自然科学基金项目(52074106)，河南省优秀青年科学基金项目(232300421061)，河南理工大学创新型科研团队(T2023-3)，深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室开放基金项目(SKLMRDPC22KF11)

作者简介：李海芳(1972-)，男，河南修武人，工程师，主要从事煤矿安全生产管理工作。E-mail：843611001@qq.com

通讯作者：刘佳佳(1985-)，男，河南焦作人，博士，副教授，博士生导师，主要从事矿井灾害防治等方面的教学与科研工作。 E-mail：liujiajia@hpu.edu.cn

(责任编辑 张艳华)