基于离散元方法的煤层覆岩导水裂缝带影响因素研究

王诗海 时鹏程 冯宜语

（1.枣矿矿业集团高庄煤业有限公司，山东 微山 277600；2.枣庄科技职业学院，山东 滕州 277500）

1 引言

高庄井田所处地面大部分为微山湖水域，地表水体成为威胁矿井浅部煤层安全开采的主要隐患，不仅要控制上覆岩层的破断下沉及地表塌陷，同时还要预防采煤工作面遭水体侵扰。为保证在矿井安全的前提下，最大限度的采出水体下压覆的优质煤炭资源，需要开展对水体下煤层覆岩破坏和导水裂缝带发育规律方面的研究工作[1-2]。由于数值模拟方法对研究覆岩破坏具有特殊的优越性，故本研究采用UDEC数值模拟软件通过建立多种地质模型，模拟计算不同开采深度、不同开采厚度、不同岩性组合和断层构造对煤层覆岩导水裂缝带发育高度、范围等方面的影响，获得相应条件下导水裂缝带发育的基本规律，进而为高庄矿湖下浅部工作面安全开采评价提供理论依据。

2 覆岩数值模拟方案

2.1 数值模拟软件选取

UDEC数值软件是一种用来处理不连续介质的二维离散元程序。它用于模拟非连续介质（如岩体中的节理裂隙等）承受静、动载作用下的响应。其不仅有专门的变形块体模型，还配备了相应的节理材料模型，能够较好地适应不同岩性和不同开挖条件下的岩层运动。UDEC可以定量地分析任何一点的应力、应变、位移状态，并可以对其进行全程监测，所有的工作均可以直观化的用图像和数据表述，分析问题简洁明了。因此，本研究利用UDEC软件来研究煤层覆岩导水裂缝带影响因素问题[3-6]。

2.2 地质模型建立

以山东济宁高庄矿3煤顶板上覆岩层结构建立基本地质模型，考虑所有方案只有岩性组合裂高会有较大扩展，为了节省运算时间，且不研究松散层变形，模型建立到基岩风化带。模型长300m，高81.7m。模拟开挖深度400m，模型上方按覆岩自重施加竖直方向上均布载荷，煤层倾角按水平处理，采厚为2m，两边留设50m边界煤柱，开挖步距10m，分20次开挖，模型岩段的主要岩性为粉砂岩、中砂岩、细砂岩和煤，具体的地质模型见图1。

图1 基本地质模型建立

2.3 模型条件和岩石力学参数选定

由于模型在模拟开挖后块体发生移动变形，上覆岩层块体在上覆重力载荷的作用下发生拉剪破坏，岩体发生了一定的弹塑性围岩变形。因此本构模型选用摩尔库伦模型，模型中的所有不连续面（即接触面）赋予不连续结构面库伦滑动模型。底部和左右边界均为固定边界条件，模型上边界设置为自由边界，加载来自上覆松散层的垂直均匀荷载。为消除模型边界的影响，模型左右各留设50m边界。各种岩层物理力学参数如表1所示。

3 不同影响因素数值模拟结果分析

3.1 开采深度

为了研究煤层覆岩导水裂缝带发育规律随开采深度增加其覆岩破坏情况，本次模拟保证其他开采条件相同的情况下，拟定开采厚度2m条件下开采深度分别为400m、500m、600m和800m，综合分析覆岩扰动破坏情况，如下图2所示。

由图2可知，当煤层开采达到充分采动以后，模拟采深400m、500m、600m条件下导水裂缝带发育高度分别为：27.2m、30.6m、33.1m。可以看出覆岩导水裂缝带发育高度随开采深度增加有增长趋势；当采深800m条件下获得导水裂缝带发育高度为33.3m，相对采深600m而言破裂高度略有增长，说明当采深达到一定时，开采深度对其影响较小。

表1 岩层的物理力学参数

图2 不同采深条件下导水裂缝带发育情况

3.2 开采厚度

为了研究煤层覆岩导水裂缝带发育规律随开采厚度增加其覆岩破坏情况，本次模拟保证其他开采条件相同的情况下，拟定开采深度400m条件下开采厚度分别为2m、3m、4m和5m，综合分析覆岩扰动破坏情况，详见下图3。

图3 不同采厚条件下导水裂缝带发育情况

根据图3看出，模拟采深400m不同采厚条件下导水裂缝带发育高度分别为27.2m、34.5m、41.3m和46.6m。随着开采厚度的增加，导水裂缝带发育高度近似线性增加，开采厚度越大，提供给覆岩垮落的空间也越大，顶板覆岩破坏的范围就越大。在模拟覆岩破坏情况时发现，随着采空区范围的不断扩大，导水裂缝带逐渐发育到最大高度，形态在纵向上不再扩展，但在横向范围继续扩大。对比高庄矿3上509工作面（煤厚5.2m）采动后实测最大导水裂缝带高度为49.35m[4]，与数值模拟结果相比误差较小，说明对相同地质条件下工作面覆岩破坏规律研究有一定参考价值。

3.3 覆岩岩性组合

为了研究煤层覆岩对导水裂缝带发育规律的影响，本次模拟保证其他开采条件相同的情况下，将煤层顶板岩性及其组合关系分为4种类型：软岩-硬岩、硬岩-软岩、软岩-软岩、硬岩-硬岩。煤层开采厚度2m条件下分析不同岩性组合下覆岩扰动破坏情况。

图4 不同顶板组合条件下导水裂缝带发育情况

根据图4可以看出，煤层顶板覆岩的破坏发育高度与覆岩的岩性及力学结构特征有紧密的关系。脆性岩层容易产生裂缝，而塑性岩层则不易产生裂缝。因此，不同力学结构类型的顶板，其破坏最大高度是不同的。根据不同岩性组合模拟结果，导水裂缝带发育高度由大到小分别为：坚硬-坚硬组合、软弱-坚硬组合、坚硬-软弱组合和软弱-软弱组合。

3.4 地质构造

为了分析断层与采空区的位置关系对覆岩导水裂缝带发育规律的影响。本次模拟在保证其他开采条件相同的情况下，开采深度400m，采厚5m，断层倾角60°，分别模拟工作面过断层和工作面在断层下盘开采情况下覆岩破坏情况[7]。如下图5所示。

图5 断层影响条件下导水裂缝带发育情况

根据图5可以看出，当工作面过断层条件下导水裂缝带发育高度为48.2m，比无断层情况下高2.2m。上限裂隙大多出现在断层附近，顺着断层面向上发展，断层破碎带塑性破坏严重，当上方有水体时可作为导水通道。当工作面位于断层下盘条件下时导水裂缝带发育高度为56.7m，比无断层影响条件下高10.1m。导水裂缝带发育上限朝断层方向纵向发展，形成一边高一边低两端不对称的“马鞍型”覆岩破坏形态。

4 结论

利用UDEC离散元方法分析煤层覆岩破坏和导水裂缝带发育规律具有可行性，通过对不同因素关于煤层导水裂缝带发育高度的影响进行模拟计算分析，得出不同采深、采厚、顶板岩性组合、地质构造（主要指断层）等因素对导水裂缝带高度发育规律影响较大，对高庄矿湖下开采提供理论支撑。