基于FLAC3D与并行电法的采动覆岩裂隙发育规律

吴荣新; 江浩; 孙斌杨

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2502787

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (7) :2812-2822 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2502787

矿冶工程

基于FLAC^3D与并行电法的采动覆岩裂隙发育规律

吴荣新 ¹ ,
江浩 ¹ ,
孙斌杨 ¹^,²^,^*

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Development Law of Mining Induced Overlying Rock Fractures Based on FLAC^3D and Parallel Electrical Method

WU Rong-xin ¹ ,
JIANG Hao ¹ ,
SUN Bin-yang ¹^,²^,^*

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摘要

沁水盆地煤炭开采区采动覆岩破坏特征与裂隙时空演化规律是瓦斯及水害治理中亟需攻克的难题。为准确判断煤层采动覆岩“两带”发育高度,以沁水煤田某矿Ⅲ2306(上)工作面为地质原型,基于工作面钻孔资料,采用FLAC^3D构建3#煤层采动三维数值模型,模拟分析煤层采动覆岩沿工作面走向和倾向方向的裂隙发育、应力演化等岩层变形破断特征及规律,综合判断覆岩“两带”发育高度和形态,同时结合工作面原位钻孔电阻率法动态测试结果对比验证模拟结果的准确性。综合测试结果表明:煤层采动覆岩裂隙发育高度与工作面推进呈正相关关系,且前期为线性增长后期趋于平缓;采动覆岩裂隙发育形态呈“马鞍形”特征;数值模拟表明导水裂隙带发育高度最大为57 m,实测导水裂隙带发育高度为56.8 m,裂隙带综合测试结果的绝对误差为0.2 m;地电场测试结果表明煤层采动超前应力影响距离最大为40.4 m。该研究成果可为晋城类似矿区煤层顶板“两带”发育高度确定和现场瓦斯及水害防治工作提供技术支撑。

Abstract

The characteristics of overlying rock damage and the spatiotemporal evolution of fractures in the coal mining area of the Qinshui Basin are urgent challenges that need to be overcome in the management of gas and water hazards. In order to accurately determine the development height of the “two zones” of coal seam mining overlying strata, a geological prototype was taken from the working face III2306 (upper) of a mine in Qinshui Coalfield. Based on the borehole data of the working face, FLAC^3D was used to construct a three-dimensional numerical model of the 3# coal seam mining. The deformation and fracture characteristics and laws of the rock strata along the strike and dip direction of the coal seam mining overlying strata were simulated and analyzed, and the development height and shape of the “two zones” of the overlying strata were comprehensively judged. At the same time, the accuracy of the simulation results was verified by comparing the dynamic test results of the in-situ borehole resistivity method of the working face. The comprehensive test results show that there is a positive correlation between the development height of overlying rock fractures during coal seam mining and the advancement of the working face, and the initial growth is linear and the later tends to be flat; the development of fractures in the overlying strata during mining shows a “saddle shaped” characteristic; numerical simulation shows that the maximum development height of the water flowing fractured zone is 57 m, while the measured development height of the water flowing fractured is 56.8 m, the absolute error of the comprehensive test results of the fracture zone is 0.2 m; the results of the geoelectric field test indicate that the maximum distance affected by the advanced stress of coal seam mining is 40.4 m. This research result can provide technical support for determining the development height of the “two zones” of coal seam roof in similar mining areas in Jincheng and for on-site gas and water hazard prevention and control work.

Graphical abstract

关键词

采动损伤 / 综合测试 / 裂隙发育 / 时空演化 / 沁水盆地

Key words

mining damage / comprehensive testing / fracture development / spatiotemporal evolution / Qinshui Basin

引用本文

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吴荣新, 江浩, 孙斌杨. 基于FLAC^3D与并行电法的采动覆岩裂隙发育规律[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(7): 2812-2822 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502787

WU Rong-xin, JIANG Hao, SUN Bin-yang. Development Law of Mining Induced Overlying Rock Fractures Based on FLAC^3D and Parallel Electrical Method[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(7): 2812-2822 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2502787

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煤炭作为一种重要的化石燃料,在中国的能源体系中占据重要地位^[1]。中国工程院研究结果显示,未来十余年煤炭仍将是能源消费的核心,且能源格局短期内不会发生根本性转变^[2]。然而随着中国浅部资源逐渐枯竭,深部资源的开采将成为未来煤炭行业的重要发展方向^[3-4]。值得注意的是,深部煤层的赋存条件更为复杂,开采环境也显著恶化,诸如矿井水害、瓦斯突出及冲击地压等各类地质灾害发生概率随深部开采也相继提高^[5-6]。煤层开采过程中,在采动应力影响下,上覆岩层发生位移、形变及破裂,进而形成垮落带、裂隙带和弯曲下沉带^[7]。而导水裂隙带作为沟通上部含水层的主要通道,若开采工艺不当,极易诱发矿井突水灾害,造成地下水资源流失、矿区附近生态环境破坏等恶劣影响^[8]。科学、准确地测试采动条件下“两带”发育高度是预防矿井水害的关键^[9-10]。因此,开展“两带”发育高度的研究对于煤矿安全开采、绿色矿山建设具有重要意义^[11-12]。

目前,围绕采动过程煤岩体破坏机理及“两带”发育特征,中国诸多学者在此领域取得突破性研究成果。孙斌杨等^[13]自主研发的光-电多参数分布式感知系统,结合相似物理模型试验,研究了巨厚砾岩下特厚煤层开采过程中覆岩运移与离层演化的精细规律,揭示了覆岩变形、裂隙发育的时空特征,并建立了“横三区、竖三带”的光-电定量表征模型,为离层水害防治和矿井安全提供了可靠的技术支撑;杜文刚等^[14]运用分布式光纤传感技术,基于光纤-岩体耦合系数实现了覆岩分带精确识别,显著提升了裂隙带探测精度;吴荣新等^[15]针对特殊地质条件,通过电流参数与视电阻率动态响应分析,准确界定了导水裂隙带发育范围和采动应力超前影响区;徐东晶等^[16]研究了不同煤田覆岩类型即坚硬、中硬、软弱下导水裂隙带高度的分区预测,通过收集现场实测数据,研究了开采高度、煤层埋深以及工作面斜长等参数因素对导水裂隙带发育的影响;张鑫等^[17]针对新疆硫磺沟煤矿巨厚煤层分层开采条件下覆岩“两带”的发育特征及破断规律研究,发现分层开采能抑制导水裂隙带向上发育,并揭示了覆岩破断的“宏观-大-小”结构模式。上述研究为煤炭安全、高效开采提供重要依据,但在实际应用过程中,上述方法均不同程度存在一定缺陷,仅依靠一种技术手段缺乏数据之间的交叉验证,难以精准把握“两带”发育高度。因此,现借助有限元数值模拟方法、现场原位测试以及经验公式对煤层回采后顶板“两带”发育高度进行综合确定。

在前人研究的基础上,以沁水煤田某矿3#煤层为工程背景,建立煤层上分层开采条件下覆岩破坏高度的数值模拟模型,通过对比数值模拟数据与现场实测结果,准确界定采动覆岩垮落带与裂隙带的发育高度。该研究成果可为类似地质条件下的煤层开采覆岩破坏预测及矿井安全高效开采具有显著的实践指导意义。

1 研究区工程地质条件

该矿位于晋城矿区潘庄详查区的西部,具体坐落于沁水县端氏镇坪上村附近,向西距离沁水县城大约40 km。行政区划隶属于沁水县端氏镇管辖,其中Ⅲ2306(上)工作面位于井田的二盘区北部,开采3#煤层,为上分层开采,工作面南北向布置。工作面地面标高650~876 m,井下标高208~256 m,工作面总长度1 423.1 m,平均可采长度1 234.7 m,切眼长230.7 m,切眼辅助回风巷长264.1 m。煤层厚3.3~5.7 m,平均4.68 m,煤层倾角2°~18°,平均6°,现阶段开采区域处于上分层回采状态,开采煤厚为2.5 m。Ⅲ2306(上)工作面东为Ⅲ2304工作面(上层回采),南为西翼大巷,西为Ⅲ2308(上)工作面,北为横头村和岭西村三号煤层保护煤柱。研究区地质剖面如图1所示。

2 研究区数值模型构建

2.1 FLAC^3D建模软件

FLAC^3D是一款高级三维显式有限差分法程序且广泛应用于岩土工程、采矿工程、地质力学等领域,其自带有横观各向同性弹性材料、莫尔-库仑弹塑材料和应变软化和硬化塑性材料等多种本构模型。横观各向同性弹性材料本构模型主要模拟层状结构的弹性介质,模型中垂直于层状介质的弹性模量和平行于介质的弹性模量明显不同。其中FLAC^3D莫尔-库仑弹塑材料模型包含了5个独立的弹性常量和2个岩层物理量,本文中所采用的摩尔库伦准则可较好地模拟煤层开挖后三维结构屈服极限后的力学行为。其核心是模拟从原始地应力平衡状态开始,到逐步开挖煤层,引起上覆岩层应力重新分布、移动、变形乃至破坏的全过程^[18]。

2.2 数值模拟方案

以沁水煤田某矿Ⅲ2306(上)工作面地质情况为背景建立数值模型,根据工作面实际情况,本次数值模型尺寸构建采用800 m(x)×400 m(y)×150 m(z)的模拟范围,开采区域设置为走向400 m、倾向230 m,并在走向两侧保留200 m、倾向预留85 m的边界保护煤柱以消除边界效应。模型中模拟煤厚取整数5 m,实际开采上分层2.5 m高度煤层。基于煤层倾角变化范围2°~18°的地质特征,均值为6°,数值模型可按水平层状岩体构建,工作面开采模拟应用分布开采,单次开采20 m,总共20次开采步序。具体三维数值模型如图2所示。

2.3 模型边界条件与初始参数

模型除上边界外其余5个边界均为固定边界,没有水平位移,即S_x=0,S_y=0。此次模型未模拟煤层上方全部岩层,需在模型上部搭载应力边界条件,即在顶部z=150面上实施均匀荷载。基于初始地应力换算,对未建模的煤层上覆岩层自重应力进行等效荷载换算,按均布荷载形式施加于模型顶部。采用P=γh计算公式等效荷载。其中:P为上覆岩层等效施加在模型顶面的荷载;γ为岩体平均容重取25 kN/m³;h为模型顶面至地面的垂距,经计算确定等效荷载值为9.625 MPa。本构模型选用Mohr-Coulomb强度准则,结合矿区地质勘察资料,确定了工作面覆岩力学特性,具体岩性参数详如表1所示。

3 “两带”发育高度模拟

煤层在开采过程中,上覆岩层在随采扰动下应力重分布,当覆岩所受应力超过其最大承载力将会发生破断、运移,产生采动裂隙,为研究工作面开采过程中裂隙发育情况,选择工作面分别开挖至50、110、170、230、310、390 m时对模拟模型走向与倾向切片处理,利用FLAC^3D显函数有限差分程序对煤层回采过程中不同推进距离下的塑性区变化、垂直应力分布特征分析3#煤层上分层开采覆岩“两带”发育高度。

3.1 不同推进距离塑性区发育特征

不同回采阶段塑性区发育特征如图3所示。由图3(a)可知,推进至50 m时,采空区覆岩出现局部的塑性破坏,其破坏种类以剪切破坏为主,由于工作面回采距离较少,塑性区多集中在开采区域附近,整体塑性区域较小,工作面走向、倾向剪切破坏高度为3 m。由图3(b)可知,工作面推进至110 m时,由于煤层回采距离的增大,前方煤岩体承受超前支撑压力,形成高应力集中区易产生拉伸-剪切复合破坏,而沿工作面倾向的应力集中程度低于推进方向,倾向塑性区主要以剪切破坏为主,因此导致走向裂隙发育高度高于倾向裂隙发育高度。随着开采范围增大,裂隙不断向上扩展,采空区中部呈现局部拉伸破坏特征,而上覆岩层仍主要表现为剪切破坏,工作面走向剪切破坏高度为19 m、倾向剪切破坏高度为16 m。由图3(c)可知,研究区工作面煤层推进至170 m,受采动应力作用下,覆岩破坏范围进一步增大,采空区煤壁两侧的剪切破坏高度明显大于采空区中部,塑性区走向整体呈现“马鞍形”分布特征,走向和倾向破坏高度分别达到36 m和17 m。由图3(d)可知,推进至230 m时,采空区两侧塑性区持续向两侧扩展,煤层上覆岩层走向剪切破坏高度增至48 m,同时出现8 m高的拉伸破坏区,倾向剪切破坏高度为18 m。由图3(e)可知,到310 m推进距离时,地表弯曲沉降持续进行,塑性区走向与倾向裂隙发育高度相较平缓,主要向两侧扩张,此时走向剪切破坏高度已达57 m,倾向剪切破坏高度为19 m。由图3(f)可见,即当推进至390 m时,导水裂隙带完全贯通,塑性区发育趋于稳定,工作面走向裂隙发育高度已不再增加,表明已达到充分采动状态,最终确定导水裂隙带发育高度为57 m。

由图4可知,随着采煤工作面的推进,工作面走向和倾向裂隙发育高度随推进距离增加而持续上升。在开采初期至煤层开挖170 m范围内,研究区走向裂隙高度随回采期间涨幅较大,而从初采至回采110 m,工作面倾向裂隙发育高度较快;在工作面持续推进至310 m时,在这期间内覆岩走向裂隙发育高度随开采距离增长呈缓慢增长,并且工作面持续向前推进时,导水裂隙带高度趋于稳定,表明其发育已达平稳状态,因此工作面导水裂隙带的最大发育高度为57 m,裂采比为22.8;垮落带最大发育高度为15 m,垮采比6。

3.2 不同推进距离顶板应力变化

如图5所示,煤层开挖后应力重分布区域在走向剖面上呈现明显的对称特性,主应力等值线沿采空区中部对称分布。工作面的推进方向应力分布区域明显大于倾向应力分布区域,且沿工作面走向的压应力峰值大于倾向的压应力峰值,这一点也论证了上述走向塑性区发育高度高于倾向裂隙发育高度。工作面推进过程中,采空区上方不同层位岩层应力发生变化,在同一推进距离下,顶板垂直应力分布规律是由采空区向上应力值逐渐增大,同时在开切眼产生一定的应力集中,并且该区域所受应力随着工作面的推进逐渐增大,分析认为煤层回采后形成采空区,导致采场围岩应力重分布,原本煤层承受的荷载现卸载至周围的煤壁与煤柱上,采场顶板处出现明显的“拱形”压力区,压力拱的跨度随着推进距离的增大而增大,开切眼位置恰好处于压力拱的拱脚区域,该处形成应力极值区,呈现最大应力集中现象。

由图5(a)可知,模型推进50 m时,切眼位置出现应力集中现象,工作面上方覆岩形成拉应力聚集区,采空区前方垂直应力最大值为23.4 MPa,工作面采空区向上出现由拉应力向压应力的过渡,整体应力区所呈形状为“拱形”。拉应力促使采空区上方覆岩宏观拉伸破坏,成为覆岩断裂的主要因素,同时也引发导水裂隙带形成发育。由图5(b)表明推进至110 m时,采空区应力影响范围随开采扩大,前方最大垂向应力增至29.6 MPa。由图5(c)可知170 m推进时,采空区中部应力升高至32.2 MPa,破碎程度较之前更为严重;由图5(d) 、图5(e)可知,随煤层持续开采,围岩卸压区扩展,工作面顶板卸压拱半径增大,整体应力分布呈近似“马鞍形”特征。由图5(f)可知推进390 m时,应力拱范围持续扩大,拱脚应力达38.3 MPa,采空区拉应力分布区高度不在向上扩展,表明已达到充分采动条件。

4 现场原位测试

4.1 钻孔电阻率法工作原理

为深入探究覆岩破坏“两带”发育机理,同时验证数值模拟的准确性,采用并行电法开展现场实测,在研究区工作面煤层顶板安装1#钻孔,基于煤层回采时煤岩体之间的电性差异,实时捕捉回采影响下覆岩裂隙发育特征。煤层开采后,覆岩受采动应力扰动岩体发生变形破坏形成垮落带、裂隙带、弯曲下沉带。在弯曲下沉带内,煤岩体的视电阻率变化不大;裂隙带因上部裂隙发育较低,其视电阻率值一般为背景值的2~3倍;而垮落带在回采一段时间被压实后,岩体经过重组致使视电阻率异常突出,其视电阻率可达背景值的4~5倍。

4.2 监测系统布设

井下原位监测系统位于Ⅲ2306二巷与五横川交口以南30 m位置,共施工2个钻孔,本文选择其中1#钻孔电阻率分析,1#钻孔孔深120 m,俯角35°,偏向工作面内30°,控制顶板垂高为68 m,控制水平距离为98 m;在五横川Ⅲ2306二巷交口位置附近建立电法主机站点。自主机沿Ⅲ2306二巷向停采线方向布置300 m以上无穷远线,监测过程中,每天使用矿井并行电法监测装置在监测站点,接入孔中电极线缆及无穷远线,实现数据采集,在地面运用电法解析软件系统,对数据进行处理与分析。具体井下地电场钻孔监测布设及安装采集示意图如图6所示。

4.3 孔中并行电法监测结果分析

如图7所示为2024年7月18日的视电阻率探测结果,当天开采位置距钻孔孔口143.3 m,根据钻孔实测的视电阻率剖面图可知,1#钻孔监测区域内视电阻率介于100~200 Ω·m,可见观测区整体的电阻特性较低,以当日所采的视电阻率值作为基准值,本次基准值可与后续不同回采进度所观测视电阻率做对比,进而研究导水裂隙带与垮落带的发育特征。

如图8所示为2024年7月24日与2024年7月28日探测视电阻率结果,由图8可知,2024年7月24日工作面回采位置距离孔口113.5 m,距孔底32.4 m,此时开采区域与钻孔监测范围距离较远,视电阻率整体波动较小,表明采动扰动影响尚不明显。随着开采继续推进,临近工作面的钻孔监测区电阻率逐渐上升,显示出采动应力超前作用的影响特征。到2024年7月28日工作面回采位置距离孔口81.9 m,距孔底0.8 m,探测区靠近回采位置区域局部电阻率持续升高,至200~300 Ω·m,岩层视电阻率整体抬升1倍左右,表明随着工作面的推进,受采动应力超前影响顶板上覆岩体受到一定程度破坏,裂隙开始发育。2024年7月24日观测到采动应力超前影响,位置距孔口80.3 m,2024年7月23日工作面回采位置距离孔口120.7 m,因此,1#孔观测到最大采动应力超前影响距离在40.4 m。

随着工作面的持续回采,受采动应力超前影响区域的逐渐扩大,部分受影响区的视电阻率值也相继升高。如图9所示为2024年7月31日与2024年8月3日探测视电阻率结果图,工作面回采过钻孔孔底,距孔口距离由65.1 m至52.5 m,共推进12.6 m。依据视电阻率探测结果剖面中判定随着工作面的回采距离的增大高阻区范围和视电阻率值也呈现渐进式增长,表明受采动扰动下,采动影响区内岩层破坏明显。随着工作面回采持续向前推进,采动应力作用持续增强,上覆岩层及采场前方围岩裂隙不断扩展并相互贯通,最终形成导水裂隙通道。

如图9(c)所示为2024年8月23日探测视电阻率结果图,工作面回采位置距离孔口位置为-20.5 m(测点位于工作面前方为正,后方为负),钻孔探测范围内距孔底位置煤层顶板高度在17.2 m和56.8 m处,出现明显视电阻率分带现象,且在探测后期基本保持稳定,表明在这一阶段裂隙带发育充分,分析分别为垮落带和导水裂隙带的发育高度。从视电阻率值方面,在0~17.2 m层段,探测后期岩层电阻率值基本在500~800 Ω·m,为平均背景值的4~5倍;在17.2~56.8 m层段,探测后期岩层电阻率值基本在300~500 Ω·m,为背景值的2~3倍。

根据以上1#孔探测成果,沁水煤田某矿工作面垮落带探测发育高度约17.2 m,裂隙带探测发育高度约56.8 m。

5 “两带”高度的确定

结合坪上前期提供的地质勘查资料可知,井田内3号煤层老顶为灰色厚层细粒砂岩,厚3.30~11.40 m,抗压强度为54.5 MPa,从III2306(上)工作面顶板岩层的岩石力学参数等资料可知顶板岩性为坚硬岩石;根据文献[19]对已观测成果进行总结归纳提出计算导水裂隙带、垮落带高度的经验公式分别为

(1)H_k=$\frac{100M}{2.1M+16}$±2.5

(2)H_li=$\frac{100M}{1.2M+2.0}$±8.9

式中:H_k为垮落带最大高度,m;H_li为导水裂隙带最大高度,m;M为累计煤层采厚,m。根据该矿的实际采矿条件,可知上煤层开采厚度为2.5 m,分别代入式(1)、式(2)计算得出导水裂隙带和垮落带高度分别为41.1~58.9 m、9.26~14.26 m。“两带”高度各结果如表2所示。如图10所示为9月1号裂隙带与垮落带的发育范围,相较于图9(c)所示8月23日钻孔视电阻率剖面图,“两带”高度未出现随开采距离增大而出现上升现象,说明裂隙带与垮落带已发育完全。

针对表2导水裂隙带经验公式计算结果略大与现场实测值做出以下分析:经验公式通常是对一般情况的概括,难以精准反映具体工程中复杂的岩性组合,而并行电法实测结果电性表征对低渗透性的敏感度较低,可能遗漏对微小裂隙的探测。且井田内3号煤层直接顶为灰黑色厚层泥岩,其抗压强度较低,煤层老顶为灰色厚层细粒砂岩,抗压强度为54.5 MPa,抗压强度较高,其坚硬特性可能延缓裂隙闭合,造成导水裂隙带实测发育高度较经验公式预测值偏低。

6 结论

(1)基于FLAC^3D数值模拟仿真软件,建立沁水煤田某矿工作面覆岩破坏模型,可直观反映煤层开采时上覆岩层塑性区破坏特征、应力场动态变化过程,且从塑性区切片图可知工作面回采期间走向裂隙发育高度大于倾向裂隙发育高度,依照屈服状态场与应力场两者结果综合判定导水裂隙带发育高度为57 m,垮落带发育高度为15 m。

(2)基于原位钻孔视电阻率测试结果表明,3#煤层上分层开采过程中顶板导水裂隙带最大发育高度达56.8 m,采裂比为22.72,导水裂隙带破坏区电阻率为回采前背景值的2~3倍,垮落带最大发育高度为17.2 m,跨采比为6.88,垮落带破坏区电阻率为回采前背景值的4~5倍。实测数据与数值模拟的对比分析显示,两者具有良好的一致性,相对误差为0.35%。

(3)3#煤层采动后覆岩裂隙发育形态整体呈“马鞍形”状态,依据钻孔视电阻率全周期响应特征表明,煤层采动超前支承压力影响距离最大为40.4 m。

构建了“FLAC^3D数值模拟预测+并行电法原位动态监测”的多源数据交叉验证综合性研究方法,实现了对煤层采动覆岩裂隙发育高度与形态从理论预测、原位实测到综合验证的全流程闭环研究。该方法不仅确定了沁水煤田特定地质条件下“两带”的发育高度,动态捕捉了采动裂隙“马鞍形”时空演化规律,同时量化了采动超前应力影响范围。该研究成果突破了单一技术手段的局限性,为类似矿区瓦斯与水害防治提供了兼具科学严谨性与工程可靠性的全新技术方案。

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