长平矿保护层开采时上覆岩层移动规律研究

宁海栋

(晋城无烟煤矿业集团有限责任公司 长平煤矿,山西 晋城 048000)

山西长平煤业有限责任公司长平矿3#煤层瓦斯含量高、透气性低、分布不均匀，煤层构造复杂，测得原始瓦斯含量为6.5～7.8 m3/t，其中地质构造影响区域瓦斯含量达到15.09 m3/t，矿井瓦斯涌出量较大，瓦斯放散初速度为14.3～20.6 mL/s，透气性系数为0.011 6 ～0.052 0 m2/(MPa2·d)，钻孔瓦斯流量衰减系数为0.110 1～0.114 7 d-1，属于较难抽采煤层。

在生产过程中，局部区域曾多次发生瓦斯异常涌出，已严重威胁矿井的安全生产。为了降低3#煤层瓦斯含量，减小瓦斯对矿井安全生产的影响，长平矿决定通过开采下保护层8#煤层，治理采掘工作面瓦斯灾害问题。为更合理地设计保护层工作面开采技术参数，确定顶板管理方案，本文主要通过UDEC数值模拟，分析了保护层8#煤层顶板岩层在采掘活动条件下的移动规律。

1 UDEC数值计算方法

目前，针对矿山煤(岩)层开采研究所采用的数值模拟方法主要包括有限元法、有限差分法、离散单元法等。其中有限元法应用最为广泛，特别是在研究地下煤(岩)层应力和变形方面，相比其他方法更加成熟完善，但是该方法所存在的缺点是无法实现煤(岩)层移动的连续性和均匀性建设或假设，由于煤岩层裂隙、裂纹分布极其复杂，存在不连续非均匀切割面，因此,在岩石变形移动过程中有限元法无法对区域中不连续面进行数值模拟。然而，离散单元法可以求解区域中大量的不连续面，能够更加容易地处理大变形、大位移及动态问题，而且所用材料的本构关系相对比较简单，材料参数数目相对较少，所反映的岩体开采后的运移过程更为直观。

Universal Distinct Element Code(UDEC)，即通用离散元程序，是基于离散元基本理论而建立的，UDEC实现了煤(岩)层移动模拟的连续性和均匀性建设，实现了对模拟煤(岩)层的节理裂隙划分，能较好地模拟块体系统的变形和大位移。同时，在UDEC中还可以获得边界元边界，用于模拟无限弹性边界，也可以获得半平面解，用来描述自由面效应。

2 模型创建

本文采用通用离散元程序(UDEC)数值模拟方法，以长平矿8#煤层84301工作面为原型构建相对应的数值计算模型。结合84301工作面岩层分布规律及顶底板岩层性质，建立数值模拟力学模型(见图1)，模型几何尺寸长×宽为200 m×85 m，84301工作面UDEC数值计算模型见图2。

图1 数值模拟力学模型图

图2 84301工作面开采UDEC数值模型图

数值计算模型各煤岩层的力学性质参数，可通过长平矿8#煤层顶底板煤岩物理力学参数测定结果进行相应的换算，见表1，岩层节理裂隙划分依据现场观测与模拟经验选取。

表1 84301工作面顶底板岩层力学参数测定表

数值模型边界条件及载荷条件的确定见表2。

表2 数值模型边界条件定义表

载荷条件确定如下：通过现场考察调研，可以确定长平矿区域地应力场属于水平应力场，地应力是以水平压应力为主导，剖面模型上部边界通过施加上覆岩层的重力作为等效应力，约为11.5 MPa，水平方向施加约为17.86 MPa的载荷。

3 数值模拟过程

3.1 模拟方案

通过UDEC数值模拟方法，主要分析8#煤层开采过程中84301工作面上覆岩层移动规律、工作面矿压显现规律和围岩变形规律。采用如图2所示的数值计算模型进行两次数值实验，分别沿工作面走向和倾向进行数值模拟。

84301工作面开采高度为1.5 m，走向模拟：从距模型边界50 m处进行开采，每次开采长度为2 m，共开采50步；倾向模拟：工作面长度为150 m，两侧各留25 m煤体。数值计算包括以下内容：保护层开采条件下84301工作面上覆岩层运动规律；矿压显现规律，并计算分析确定直接顶及老顶的初次垮落步距和周期垮落步距；84301工作面围岩应力分布规律和围岩位移量规律。

3.2 模拟计算

根据构建的UDEC数值计算模型，按要求设置模型的边界条件、加载条件、计算时步等参数，开始进行数值计算。模型计算过程中，84301工作面顶板来压时的运动形态见图3，4。

a) 工作面推进20 m直接顶初次跨落

b) 工作面推进34 m老顶初次跨落

c) 工作面推进44 m老顶第二次跨落

d) 工作面推进58 m老顶第三次跨落

图4 84301工作面倾向位移分布情况示意图

3.3 模拟结果分析

1) 工作面来压步距分析。

随着84301工作面采掘的不断进行，原岩应力平衡状态被破坏，致使采空区围岩应力重新分布，顶板岩层发生一定幅度的变形、位移变化。

模拟数据结果(图3)显示：84301工作面推进到20 m时，直接顶发生初次垮落，顶板最大位移为1.4 m；当84301工作面推进到34 m时，老顶发生初次垮落；当工作面推进44 m时，老顶再次垮落；当工作面推进到58 m时，老顶第三次垮落，即老顶发生周期性垮落。

由上述模拟结果分析可知，工作面直接顶初次来压步距为20 m，老顶初次来压步距平均为34 m，老顶周期来压步距10～14 m，工作面上覆岩层移动角约76°。

2) 工作面煤壁前方支承压力分布规律分析。

当84301工作面周期来压时，煤壁前方围岩垂直应力分布规律情况见图5～7，具体分析如下：

a) 直接顶初次来压时，84301工作面煤壁前方支承压力的影响范围为0～19 m，其中1～4 m范围内为应力峰值区，应力值为17～22 MPa。

b) 老顶初次来压时，煤壁前方支承压力的影响范围为0～24 m，其中，1～5 m范围内为应力峰值区，应力值为20～27 MPa。

c) 老顶第二次来压时，煤壁前方支承压力的影响范围为0～28 m，其中1～6 m范围内为应力峰值区，应力值为21～32 MPa。

4 结 论

1) 通过UDEC数值模拟，得出在8#煤层开采条件下，84301工作面直接顶初次垮落步距为20 m，老顶初次垮落步距为34 m，老顶周期来压步距10～14 m，岩层移动角约76°。

图5 直接顶初次来压时工作面前方应力分布图

图6 老顶初次来压时工作面前方应力分布图

图7 老顶第二次来压时工作面前方应力分布图

2) 模拟分析工作面围岩垂直应力分布规律为：84301工作面老顶来压时，煤壁前方支承压力的影响范围为0～24 m，应力峰值区为1～5 m，峰值区应力值为21～32 MPa。

3) 数值模拟方法确定的矿压显现规律可保护层开采期间8#煤层工作面顶板管理、回采巷道超前支护设计等提供参考。

参 考 文 献

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