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摘要：以城郊矿首采2902工作面的资料为依据，针对该工作面的具体条件，通过大型工程FLAC计算软件，模拟分析长壁工作面开采后上覆岩层“三带” 移动演化特征和矿压显现规律；探讨城郊矿首采2902长壁工作面开采时的覆岩变形破坏规律、“三带”高度的发育形态与矿压形成机理；预测冒落带、裂隙带、弯曲下沉带分布范围与应力变化特征。
关键词：FLAC计算软件；首采面； “三带”
【分类号】：TD823.4
1 模型构建
1.1几何模型
本次数值计算的目的是研究2902工作面开采过程中顶板“三带”[1]形成的高度和超前支承压力分布情况，建立数值模型的过程中，将2902工作面顶板划分网格相对较密，平均间距为1.0m。工作面推进方向网格间距为15m。2902工作面的数值模型总的网格数为65340个，其中节点数位75693个。总的计算步数为16780步。
在模拟过程中对实际的地质条件进行了适当的简化[2]。模型沿倾向长度为300m，沿走向长度为300m。2902工作面在数值模拟中工作面长度为150m。两条巷道宽度为4.4m，巷道的高度为3.4m。模型的总高度为320.1m，巷道底板距模型底的平均垂直距离为77.5m。2902工作面沿倾向的宽度为150m，2902工作面沿推进方向的距离为180m。对于上覆岩层没有在模型中显示的部分，采用载荷来代替。图1是2902工作面顶底板岩层情况和开采后的几何模型。
1.2力学模型
本文模型中均采用Mohr-Coulomb屈服准则判断岩体的破坏[3]，并且均不考虑塑性流动（不考虑剪胀）。
Mohr-Coulomb屈服准则其判别表达式为：
（1）
式中， ， 分别为最大和最小主应力； 、 分别为材料的粘结力和内摩擦角； （ ）为抗拉强度； 。当 时，材料将发生剪切破坏；当 时，材料产生拉伸破坏。
1.3计算过程
首先建立模型，在模型上部施加载荷以代替没有模拟的上覆岩层，计算至各个单元应力平衡后；其次开采巷道计算至平衡；第三开挖2902工作面计算至各个单元应力平衡；最后进行处理计算结果。主要是模拟2902工作面超前压力和顶板“三带”的分布情况。
2 数值模拟的力学参数
根据现有的地质资料显示煤层顶底板岩性为：直接顶为粉砂岩，平均厚度为7.63m；基本顶为细砂岩，平均厚度为12.65m。煤层底板岩性：老底为泥岩，厚1.78m，上部含0.72m厚的炭质泥岩。直接底为粉砂岩，厚3.48m。基本底为细砂岩，平均厚度为5.65m。
数值模拟工作面开采主要是依据现有的岩石强度理论和岩石试验所得的力学参数，建立数值模型。通过计算获得采场围岩应力、位移和塑性区的分布。在的数值模拟中参考城郊矿的2902工作面所在地层的力学参数进行了建模计算。
3 计算结果及分析
3.1 工作面采场超前支承压力分布
图2显示出2902工作面超前支承压力影响范围，受回采工作面的采动影响，在回采工作面煤壁前方，形成了随工作面推进而不断前移的超集中应力，超前集中应力大体分为：工作面前方62m以远为未受采动影响区，工作面前方20～62m为采动影响区，工作面前方20m范围内为采动影响剧烈区。工作面前方超前支承应力最大值为40.61Mpa，超前支承应力集中系数为2.58。
3.2 工作面“三带”数值模拟分析
3.2.1 沿工作面推进方向的上覆岩层塑性屈服状态
图3是从工作面中部沿着工作面推进方向切开的剖面图，从图中可以看出在上覆岩层的屈服破坏特征呈现出拱型，即在工作面上方覆岩层破坏高度最大，而在开采后形成的采空区上部上覆岩层破坏深度相对较小，这主要是由于软件的的原因，事实上围岩发生屈服破坏后不会再恢复到原有状态。在采空区的上覆岩层的下位以剪切和拉伸破坏为主，再向上以拉伸破坏为主。在工作面前方的岩体发生超前破坏，屈服深度达到35m。采空区下部岩层出现剪切和拉伸破坏，破坏深度在6m左右。
从沿倾向的剖面屈服破坏特征分布图（图4、图5）可以看出，开采区域上覆岩内塑性区分布有四个区域，除受边界条件制约的上部、左右边界的塑性区外，影响采后覆岩裂高的主要为工作面前煤壁和回采巷道上方覆岩，在图4沿2902工作面后方10m顶板围岩塑性屈服破坏可以看出主要是两条回采巷道上覆岩层发生屈服破坏，而在工作面后方90m主要是采场上部围岩的屈服破坏，根据采空区顶板岩层破坏特点当工作面推进距离和工作面长度方向近似相等时，顶板冒落高度最大。从图5中也能看出在2902工作面后方90m冒落高度达到相对稳定。总上述分析，得出覆岩内塑性区分布的最大高度为35m。
3.2.2 工作面走向覆岩水平应力状态
3.2.3 “三带”高度的确定
4 小结
本数值模拟采用FLAC3D程序，在能反映所要研究问题的前提下对实际的地质条件做了简化。主要根据2902工作面上覆岩层的塑性屈服状态、水平应力的分析得出一下结论：
1）受回采工作面的采动影响，在工作面煤壁前方，形成了随工作面推进而不断前移的超前集中应力，超前集中应力在回采工作面前方的分布，大体可分为三个阶段：工作面前方62m以远为未受采动影响区，工作面前方20～62m为采动影响区，工作面前方20m范围内为采动影响剧烈区。工作面前方超前支承应力最大值为40.61Mpa，超前支承应力集中系数为2.58。
2）由计算结果可知，走向模型的冒落带高度约在6～10m范围内，导水裂隙带高度约在34～40m范围内；弯曲下沉带的高度约在顶板90～100范围内。但鉴于数值模拟计算对于岩层力学参数具有强依赖性，应在工作面回采期间随时跟踪监测，发现危险征兆应及时提前采取防范措施。
5 参考文献
[1]陈炎光，钱鸣高.中国煤矿采场围岩控制[M] .徐州：中国矿业大学出版社，1994：66.
[2]McClelland，Rumelhart.ParllelDisrributedProcessing[M].Vols land 2，MIT Weighting，1986：92-97.
[3]吴微.FLCA数值模拟[M].北京：高等教育出版社，2004：9-15.
作者简介：卞大宁（1990-），男，汉族，助理工程师，2010年毕业于安徽理工大学；现在永煤集团城郊煤矿安装队工作，一直从事采煤技术管理工作。
关键词：FLAC计算软件；首采面； “三带”
【分类号】：TD823.4
1 模型构建
1.1几何模型
本次数值计算的目的是研究2902工作面开采过程中顶板“三带”[1]形成的高度和超前支承压力分布情况，建立数值模型的过程中，将2902工作面顶板划分网格相对较密，平均间距为1.0m。工作面推进方向网格间距为15m。2902工作面的数值模型总的网格数为65340个，其中节点数位75693个。总的计算步数为16780步。
在模拟过程中对实际的地质条件进行了适当的简化[2]。模型沿倾向长度为300m，沿走向长度为300m。2902工作面在数值模拟中工作面长度为150m。两条巷道宽度为4.4m，巷道的高度为3.4m。模型的总高度为320.1m，巷道底板距模型底的平均垂直距离为77.5m。2902工作面沿倾向的宽度为150m，2902工作面沿推进方向的距离为180m。对于上覆岩层没有在模型中显示的部分，采用载荷来代替。图1是2902工作面顶底板岩层情况和开采后的几何模型。
1.2力学模型
本文模型中均采用Mohr-Coulomb屈服准则判断岩体的破坏[3]，并且均不考虑塑性流动（不考虑剪胀）。
Mohr-Coulomb屈服准则其判别表达式为：
（1）
式中， ， 分别为最大和最小主应力； 、 分别为材料的粘结力和内摩擦角； （ ）为抗拉强度； 。当 时，材料将发生剪切破坏；当 时，材料产生拉伸破坏。
1.3计算过程
首先建立模型，在模型上部施加载荷以代替没有模拟的上覆岩层，计算至各个单元应力平衡后；其次开采巷道计算至平衡；第三开挖2902工作面计算至各个单元应力平衡；最后进行处理计算结果。主要是模拟2902工作面超前压力和顶板“三带”的分布情况。
2 数值模拟的力学参数
根据现有的地质资料显示煤层顶底板岩性为：直接顶为粉砂岩，平均厚度为7.63m；基本顶为细砂岩，平均厚度为12.65m。煤层底板岩性：老底为泥岩，厚1.78m，上部含0.72m厚的炭质泥岩。直接底为粉砂岩，厚3.48m。基本底为细砂岩，平均厚度为5.65m。
数值模拟工作面开采主要是依据现有的岩石强度理论和岩石试验所得的力学参数，建立数值模型。通过计算获得采场围岩应力、位移和塑性区的分布。在的数值模拟中参考城郊矿的2902工作面所在地层的力学参数进行了建模计算。
3 计算结果及分析
3.1 工作面采场超前支承压力分布
图2显示出2902工作面超前支承压力影响范围，受回采工作面的采动影响，在回采工作面煤壁前方，形成了随工作面推进而不断前移的超集中应力，超前集中应力大体分为：工作面前方62m以远为未受采动影响区，工作面前方20～62m为采动影响区，工作面前方20m范围内为采动影响剧烈区。工作面前方超前支承应力最大值为40.61Mpa，超前支承应力集中系数为2.58。
3.2 工作面“三带”数值模拟分析
3.2.1 沿工作面推进方向的上覆岩层塑性屈服状态
图3是从工作面中部沿着工作面推进方向切开的剖面图，从图中可以看出在上覆岩层的屈服破坏特征呈现出拱型，即在工作面上方覆岩层破坏高度最大，而在开采后形成的采空区上部上覆岩层破坏深度相对较小，这主要是由于软件的的原因，事实上围岩发生屈服破坏后不会再恢复到原有状态。在采空区的上覆岩层的下位以剪切和拉伸破坏为主，再向上以拉伸破坏为主。在工作面前方的岩体发生超前破坏，屈服深度达到35m。采空区下部岩层出现剪切和拉伸破坏，破坏深度在6m左右。
从沿倾向的剖面屈服破坏特征分布图（图4、图5）可以看出，开采区域上覆岩内塑性区分布有四个区域，除受边界条件制约的上部、左右边界的塑性区外，影响采后覆岩裂高的主要为工作面前煤壁和回采巷道上方覆岩，在图4沿2902工作面后方10m顶板围岩塑性屈服破坏可以看出主要是两条回采巷道上覆岩层发生屈服破坏，而在工作面后方90m主要是采场上部围岩的屈服破坏，根据采空区顶板岩层破坏特点当工作面推进距离和工作面长度方向近似相等时，顶板冒落高度最大。从图5中也能看出在2902工作面后方90m冒落高度达到相对稳定。总上述分析，得出覆岩内塑性区分布的最大高度为35m。
3.2.2 工作面走向覆岩水平应力状态
3.2.3 “三带”高度的确定
4 小结
本数值模拟采用FLAC3D程序，在能反映所要研究问题的前提下对实际的地质条件做了简化。主要根据2902工作面上覆岩层的塑性屈服状态、水平应力的分析得出一下结论：
1）受回采工作面的采动影响，在工作面煤壁前方，形成了随工作面推进而不断前移的超前集中应力，超前集中应力在回采工作面前方的分布，大体可分为三个阶段：工作面前方62m以远为未受采动影响区，工作面前方20～62m为采动影响区，工作面前方20m范围内为采动影响剧烈区。工作面前方超前支承应力最大值为40.61Mpa，超前支承应力集中系数为2.58。
2）由计算结果可知，走向模型的冒落带高度约在6～10m范围内，导水裂隙带高度约在34～40m范围内；弯曲下沉带的高度约在顶板90～100范围内。但鉴于数值模拟计算对于岩层力学参数具有强依赖性，应在工作面回采期间随时跟踪监测，发现危险征兆应及时提前采取防范措施。
5 参考文献
[1]陈炎光，钱鸣高.中国煤矿采场围岩控制[M] .徐州：中国矿业大学出版社，1994：66.
[2]McClelland，Rumelhart.ParllelDisrributedProcessing[M].Vols land 2，MIT Weighting，1986：92-97.
[3]吴微.FLCA数值模拟[M].北京：高等教育出版社，2004：9-15.
作者简介：卞大宁（1990-），男，汉族，助理工程师，2010年毕业于安徽理工大学；现在永煤集团城郊煤矿安装队工作，一直从事采煤技术管理工作。