基于UDEC的水库下压煤开采安全性分析

张　进

(国投晋城能源投资有限公司)



基于UDEC的水库下压煤开采安全性分析

张进

(国投晋城能源投资有限公司)

摘要为分析裴沟煤矿魔洞王水库下压煤开采的安全性，利用UDEC数值模拟软件建立了走向回采工作面的开采模型，模拟计算得出不同开采厚度条件下上覆岩层破坏发展过程及对导水裂隙带发育高度的影响，并与经验公式计算的结果对比分析，验证数值模拟的正确性。根据导水裂隙带发育高度和地表裂隙发育情况，分析得出魔洞王水库下开采安全防水岩柱尺寸，结果表明，魔洞王水库下回采是安全可行的。首采的31071工作面已经安全通过水库区，从而验证了分析正确性。

关键词UDEC覆岩破坏导水裂隙带高度

影响水体下压煤开采安全性的因素主要是导水裂隙带发育高度，当保安煤柱高度不够或留设不合理时，有可能发生水体或者泥沙导通井下或工作面涌水量超限等问题[1]，严重影响矿井的安全生产工作。目前国内外对裂隙带发育高度的研究方法包括理论分析、现场钻(物)探实测、相似模拟分析和经验公式计算等[2]。随着科学技术的发展，数值模拟分析以其计算快捷方便，能够直观显示覆岩破坏的发展变化过程而应用越来越广泛。利用UDEC建立数值模型，分析魔洞王水库下采煤覆岩破坏特征和导水裂隙带发育状况，对该矿区进行水库下采煤安全性分析和合理选择采高具有重要的参考意义。

1工程概况

裴沟煤矿始建于1960年，是郑煤集团的主力生产矿井。目前矿井开采的31采区位于井田东部，主采的二1煤层平均厚约7.8 m。31采区地表的魔洞王水库始建于上世纪50年代，为小(二)型，水库平均深约3.13 m，水域面积为600.6万m2，覆盖31采区中北部大片区域，压煤量预计达500余万t。31采区共布置7个工作面，大多数工作面要穿过水库。工作面与水库相对位置关系见图1。

2数值模拟

UDEC是针对处理不连续介质的二维离散元程序，该程序基于离散单元法DEM开发，模型内划分的块体单元及其节理面可以被压缩、挤压而产生滑动、变形、分离等破坏，能够形象地显示节理岩体的非线性大变形特征。

图1　31采区工作面布置与魔洞王水库相对位置关系

2.1模型建立

计算模型根据裴沟煤矿的实际采矿地质条件，并考虑计算模型的边界效应对于模拟开采区域的影响，确定模型尺寸为1 000 m×300 m(长×高)，见图2。判断岩体模型破坏采用mohr-coulomb屈服准则(式1)和Hoek-Brown破坏准则(式2)。

图2　开采模型

(1)

(2)

式中，σ1，σ3分别为最大、最小主应力，MPa；c为黏聚力，MPa；φ为内摩擦角，(°)；σci为单轴抗压强度，MPa；m，s分别为反映岩石的软硬程度和破碎程度的经验参数。

2.2模型力学参数

根据裴沟矿31采区地质钻孔柱状图资料确定模型各上覆岩层及其层位关系。参考该矿实测岩石力学参数，依据Hoek-Brown破坏准则确定计算模型岩体及节理的物理力学参数[3]，见表1、表2。

表1　岩体力学参数

表2　节理力学参数

2.3模拟结果分析

计算模型均以20m为计算步距，分别模拟采高为3,5和7.5 m时上覆岩层的破坏状况。用竖向位移云图表示覆岩垮落和裂隙发育，根据划分的离散元块体垮落、离层情况，判断覆岩发展破坏和裂隙发育状况[4],见图3。

图3　不同采高时上覆岩层坚向位移变化云图　　由图3可知：

(1)当采高为3 m时，工作面从80 m推进到100 m，覆岩破坏高度基本保持在42 m；当采高为5 m 时，工作面从100 m推进到140 m，覆岩破坏高度基本保持在55 m；而当采高为7.5 m时，工作面从140 m推进到180 m，覆岩破坏高度基本保持在74 m。这表明采高分别为3，5，7.5 m时，导水裂隙带发育高度分别为42，55，74 m。这也说明覆岩破坏有时间和空间的发展过程，在覆岩充分破坏以前，裂隙发育随着工作面的推进不断向上发展，而当覆岩充分破坏以后，裂隙发育高度基本保持不变。

(2)不同采高条件下覆岩破坏形态均由上凸形逐渐向马鞍形过渡，且在覆岩破坏高度达到充分后，马鞍形的破坏形态更加明显。这是由于随着工作面的推进，覆岩先后发生垮落破坏，当回采过的空间达到一定程度后，上部岩层不再破断而产生弯曲下沉，并作用在已垮落的岩体上，下部已垮落岩体受上部岩层的压实作用，覆岩破坏过程趋于稳定，部分裂隙逐渐闭合，裂隙高度略有下降。而在工作面端部，受超前支撑压力作用，覆岩破坏剧烈，裂隙发育高度较大，从而在形态上表现为裂隙发育中间低两端高的马鞍形[5]。

(3)根据裂隙高度与采高的关系，采高为3 m时，裂采比(裂隙带发育高度与采高之比)为14；采高为5 m时，裂采比为11；采高为7.5 m时，裂采比为9.87，即随着采高的增加，裂隙带发育高度与采高之比逐渐减小。

3水库下压煤回采安全性分析

3.1导水裂隙带发育高度计算

分析31采区内钻孔柱状图可知，该采区上覆岩层组成主要为中粒砂岩、细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩和泥岩等。综合分析各岩层组分，砂岩、粉砂岩、泥岩组成比例约为0.34∶0.08∶0.58，覆岩类型为软弱偏中硬。

利用经验公式(表3)计算采高分别为3，5和7.5 m时导水裂隙带发育高度，结果见表4。

表3　缓倾斜厚煤层分层开采导水裂隙带计算公式

注：ΣM为累计采厚，ΣM<15 m；M为单层采厚，M<3 m；±为中误差。

表4　导水裂隙带高度计算结果

3.2模拟结果与经验公式计算结果对比

对比分析不同采高时数值模拟与经验公式计算得出的导水裂隙带发育高度，可以看出，在采高为3和5 m时，数值模拟与经验公式计算结果非常接近，而采高为7.5 m时，数值模拟计算值高于经验公式计算值。由于经验公式是前人基于以往分层开采和普采的统计资料分析确定，对于综采工作面有一定的局限性。实测和理论分析都表明，随着采高的增大，综采工作面覆岩破坏强度和裂隙发育高度与分层开采和普采相比明显增大。这说明利用UDEC数值模拟研究覆岩破坏特征比利用经验公式具有更广泛的适用性，分析计算的结果也更真实可靠。

3.3防水岩柱高度分析

防水煤岩柱指开采煤层顶板至地面水体底界之间的岩层整体。其防隔水性能与该段岩柱的含水性、隔水性及抵抗采动裂隙产生的能力有关，防水煤岩柱的安全高度是判断水体下采煤是否安全的重要指标。防水煤岩柱高度应大于导水裂隙带与保护层厚度之和，计算公式为

(3)

式中,Hsh为防水岩柱高度,m；Hli为导水裂隙带高度,m；Hb为保护层厚度,m；h为地表裂缝深度,m。

利用建立完备的开采沉陷预计模型[6]，推导得出回采后表土层裂缝临界水平变形值和裂缝发育极限深度的估算公式：

(4)

(5)

式中,εJ为计算裂缝临界水平变形值,mm;h为计算裂缝极限深度,m;c为黏聚力,MPa；φ为内摩擦角,(°);μ为泊松比;E为弹性模量,GPa；γ为岩土层容重,kN/m3。

根据31采区表土层的物理力学性质[7]，E=13.1 MPa,c=0.029 MPa,μ=0.3,φ=18°,γ=15.8 kN/m3,经计算，回采后地表裂缝临界水平变形值可达5.5 mm，裂缝发育深度约3.7 m，考虑安全因素，裂缝发育深度取6 m。

依据裴沟矿软弱偏中硬的岩层性质，保护层厚度Hb取一次开采厚度的6倍[8]，分析31采区钻孔柱状图可知，煤层埋深在水库上部约204 m，中部约252 m，下部约394 m。不同采高时防水岩柱高度与上覆岩层厚度的对比关系见表5。

由表5可知，开采煤层上覆岩层的最小厚度均远大于需要留设的防水岩柱的高度，且水库底有约18 m厚的第四系黏土作为隔水层，表明魔洞王水库下采煤是安全可行的。

表5　防水岩柱与煤层上覆岩层厚度对比关系

431071工作面试采

目前31071试采工作面已经回采完毕，采高为5 m，通过分析井下和地表的观测资料，在回采期间工作面没有出现涌水量超限现象，地表水库水体也没有受到回采的影响，这表明分析结果是准确的、可靠的。

5结论

根据裴沟煤矿的覆岩赋存特点，利用UDEC数值计算软件模拟分析得出不同回采厚度对上覆岩层破坏和导水裂隙带发育高度的影响，并实现了覆岩发展破坏过程的可视化；对比分析数值模拟结果和经验公式计算结果，表明UDEC数值模拟具有更广泛的适用性和准确度；分析得出魔洞王水库下采煤防水煤岩柱尺寸，结合31采区的岩层赋存特征，表明魔洞王水库下开采是安全可行的；首采的31071工作面已安全通过水库库区，从而验证了分析是正确的、可靠的。

参考文献

[1]康永华，靳仁昌.水体下放顶煤开采研究现状及其发展趋势[J].煤矿开采,2003,8(1):15-18.

[2]盛佳，李向东.基于Hoek-Brown强度准则的岩体力学参数确定方法[J].采矿技术,2009,9(2):12-14.

[3]曾先贵，李文平，李洪亮等.综放开采近断层导水裂隙带发育规律研究[J].采矿与安全工程学报,2006,23(3):306-310.

[4]张玉军，李凤明.高强度综放开采采动覆岩破坏高度及列席发育演化监测分析[J].岩石力学与工程学报,2011,30(S1):2994-3001.

[5]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京：煤炭工业出版社,2000.

[6]吴侃,黄珍珍,王欣.矿山开采沉陷的完备预计模型[J].煤矿开采,2008,11(4):4-6.

[7]王金启.裴沟煤矿水体下放顶煤开采安全性分析[J].中州煤炭,2008(1):18-19.

[8]陈俊杰，郭文兵，邹友峰.大型水体下顶水安全开采的可行性研究[J].中国安全科学学报，2011,21(2):57-62

(收稿日期2015-11-23)

张进(1987—)，男，助理工程师，硕士，048026 山西省晋城市凤台东街1188号。