FLAC3D 数值模拟下不同采煤工艺对裂缝方向影响的对比研究

一、不同采煤工艺对覆岩结构扰动的影响特点

（一）综采工艺下覆岩垮落对裂缝发展的空间引导特征

综采工艺因其高效率与适应性广泛而在煤矿应用较为普遍，然而其集中采空区域形成的大跨度断面导致覆岩在采空区上方失去支撑后发生快速垮落，进而在垮落区及其外围产生较强扰动。FLAC3D 模拟结果显示，该工艺下垮落带与裂缝带方向呈现以工作面推进方向为主的展布趋势，裂缝主要分布于顶板中下部且呈现明显倾斜。随着采面推进，顶板应力集中带逐步向前转移，裂缝方向受应力集中轴线影响发生一定偏移。综采工艺中垮落区周期性的演化过程使得裂缝走向具有阶段性波动特征，对后期支护设计与瓦斯抽采路径优化提出了更高要求。

（二）充填采煤技术对裂缝水平延展性的控制能力

充填采煤在控制覆岩移动与裂缝发育方面展现出较强的工程优势，其工艺原理通过向采空区及时注入固体或流态材料支撑顶板，显著削弱了垮落空间的形成与应力释放波动。FLAC3D 数值模拟结果表明，充填材料在采空区均匀分布后形成一定承载能力，有效抑制了裂缝的垂直穿透发展，裂缝方向趋向水平分布且裂缝宽度明显减小。该工艺下顶板整体下沉趋势减缓，应力集中效应得到缓解，裂缝扩展具有连续性弱、区域性分散的特点。其对保护上覆岩层完整性、避免地表沉陷以及控制有害气体运移通道具有积极作用，在地质构造敏感区的应用前景广阔。

（三）层段式采煤对裂缝交错区的应力再分布效应

层段式采煤工艺通过分层、分段逐步推进开采空间，有效延缓了整体垮落进程，增强了对覆岩移动节奏的可控性。在FLAC3D 模拟环境下设置不同层段采高与推进顺序，分析裂缝发育过程可见，该工艺诱导裂缝多呈交错状分布，且上下层裂缝联通程度较低。应力集中区呈现多个局部峰值点，形成裂缝扩展路径的不连续性。裂缝在分段边界处常出现变化转折，其走向受控于上下段采空区之间的结构过渡应力。裂缝方向由单一趋势转为多方向扩展，不利于大范围贯通，但有利于延迟地质灾害触发条件，是一种在复杂地质区域具有良好适应性的控制性采煤技术选择。

二、FLAC3D 模拟下裂缝演化规律与采煤参数的响应关系分析

（一）采高变化对裂缝倾角与走向偏移的量化影响机制

采高作为采煤工艺设计的核心参数之一，其变化直接影响顶板结构稳定性与裂缝形态演化特征。在FLAC3D 数值模拟中设置不同采高条件，观察裂缝随采高变化所呈现的响应规律，可明确采高越大，垮落带高度越高，应力扰动区范围越广，裂缝倾角趋于增大。模拟数据表明，采高提升导致垮落带结构松散程度提高，裂缝更易穿透至顶板上部，对覆岩层间连接性构成威胁。当采高低于某一临界值时，裂缝多为微裂纹扩展，走向与工作面推进方向一致；当采高超过临界值后，裂缝在顶板倾向上展布出现偏移，呈扇形扩展趋势。倾角变化的背后反映出顶板抗剪能力下降与剪切破坏带扩展加剧的物理实质，为合理设定采高提供了力学依据。

（二）工作面推进速度对裂缝形成速度与密集度的调节效应

工作面推进速度作为影响岩体应力再分布速率的重要动态变量，对裂缝形成速度与密集度具有关键调节作用。在FLAC3D 模拟中采用不同比例推进速率模型对比分析发现，较快推进速度下岩体来不及充分释放应力，导致应力集中现象显著，裂缝多集中于近工作面区域并呈垂直裂纹密集发育状态。裂缝间距明显缩小，密集度上升，局部裂缝连通性增强，形成应力脉冲性集中带。而在低速推进条件下，顶板结构具备较充分的变形调整空间，应力释放过程缓慢，裂缝多为弯折裂纹或横向裂纹，发育方向受层理面影响增强。推进速率变化引起裂缝形成节奏差异，其对巷道围岩稳定性、支护延时策略与瓦斯压力调节窗口具有重要参考意义。合理控制推进速率可实现应力缓释调节，减少强烈结构破坏事件的发生，是保障采煤作业安全与裂缝可控演化的关键技术路径。

（三）埋深变化对裂缝分布范围与穿透层位的影响趋势

埋深变化对围岩应力场构型产生显著影响，是决定裂缝扩展层位与分布规模的主要地质因素之一。在FLAC3D 模拟中设置不同埋深工况，结果显示埋深越大，岩层所承受垂向主应力越高，裂缝形成位置向上扩展的趋势越明显。深部高应力区裂缝以高倾角剪切型为主，穿透能力增强，贯穿多个层位形成多层结构裂缝带。相比之下，浅埋区裂缝多为扩张型张裂，分布范围局限于煤层与直接顶范围内，裂缝深度有限。深埋引起的围压升高还导致岩体破裂呈现出准塑性变形特征，裂缝形态复杂化、曲折度增加。埋深还影响裂缝闭合能力，高埋条件下裂缝受应力作用易发生闭合与复合破坏，使得裂缝可识别性降低，增加灾害预测难度。结合采煤工艺，应在高埋环境下优化裂缝导向设计，设置裂缝疏导通道，降低结构面能积累程度，防范大面积结构突发破坏风险。

（四）支护结构参数对裂缝扩展封闭趋势的影响路径

支护结构对顶板稳定性与裂缝控制起到直接调节作用，其参数设定关系到裂缝是否能够及时封闭、有效控制扩展路径。通过FLAC3D 模型设置不同支护强度、间距与刚度条件，观察裂缝在受控环境下的响应情况发现，高强度支护显著抑制了裂缝沿垂直方向的快速贯通，支护提供的反力形成顶板张应力阻尼带，有效延缓裂缝形成速度。间距减小时裂缝多呈弯折状发展，形成“避压”扩展路径，裂缝走向趋向支护中心轴线两侧延展。刚度高的支护结构形成更强硬支撑拱效果，抑制裂缝横向扩张，封闭趋势增强。支护作用还可改变裂缝闭合机制，促进早期形成微裂缝在低应力区闭合并停止发育，从而限制贯通性裂缝的产生。合理选择支护参数、优化锚杆布置与控制策略，不仅可增强围岩承载能力，也为裂缝治理与采后围岩稳定提供重要保障，有助于实现开采—支护—裂缝协同调控目标。

结束语

不同采煤工艺在裂缝形成与方向控制方面呈现出显著差异，FLAC3D 模拟为定量分析裂缝演化机制提供了有效手段。通过对采高、推进速度、埋深与支护等关键参数的响应分析，可为采煤设计与灾害防控提供有力支撑。未来应继续加强多物理场耦合模型研究，提升裂缝预测与控制的精准度，构建以安全高效为核心的智能采煤系统。

参考文献

[1] 李明杰 . 不同采煤工艺对顶板破坏及裂缝发育的影响研究 [J]. 煤炭学报，2023,43(02):122–128.

[2] 张洪涛 . 基于数值模拟的覆岩裂隙演化与控制机制分析 [J]. 岩土力学，2023,44(05):955–962.

姓名：程正 1996.07.10 性别：男 民族：汉 籍贯：陕西省 学历：硕士 职称：助理工程师 研究方向：矿山地质灾害防治与生态修复

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