浅埋煤层工作面的UDEC数值模拟研究

2020-04-16梁永超

山西煤炭 2020年1期

梁永超

(山西焦煤集团有限责任公司东曲矿,太原 030200)

浅埋煤层的典型特征是埋深浅、基岩薄、上覆厚松散沙层,根据已有资料表明,浅埋煤层的矿压显现不一定比深埋煤层小,浅埋煤层工作面顶板破断运动具有特殊性。从岩层控制层面考虑浅埋煤层,是岩层控制领域急需解决的关键问题之一[1-3]。

UDEC模拟软件是一个针对非连续介质模型的二维离散元数值计算程序,应用于采矿工程主要有两个优点:一是允许离散的岩块产生大的变形,并且允许岩块沿节理面滑动;二是模型可以自动适应新的接触面。本文利用UDEC建立数值模型,利用所建立的模型研究相关工作面顶板,期望为相关矿井工作面安全高效开采提供参考依据[4-5]。

1 工程背景

山西焦煤集团东曲矿28208工作面位于麻坪岭以北,小沙岩以南,上方地面有白家山村(已搬迁),煤层厚度为3.05 m,盖山厚度214 m～343 m,走向长度为1 198 m～1 266 m,倾斜长度为226 m,面积为271 663 m2,工作面对应地面标高为1 124 m～1 256 m,工作面标高为861 m～945 m。工作面的老顶为石灰岩,厚度为4.40 m,直接顶为泥岩,厚度为0.95 m,直接底为砂质泥岩,厚度为4.20 m,如表1所示。

表1 煤层顶底板情况

2 数值模型的建立

对浅埋煤层条件下28208工作面进行数值模拟建立,计算模型长度为100 m,高度为42.08 m。工作面数值模型自下而上依次为:细粒砂岩、砂质泥岩、煤、炭质泥岩、砂质泥岩、9号煤、砂质泥岩、8号煤、泥岩、8号上煤、石灰岩、细粒砂岩、中粒砂岩、砂质泥岩、细粒砂岩、石灰岩、细粒砂岩、7号煤。28208工作面老顶为石灰岩,直接顶为泥岩,直接底为砂质泥岩。模型每次开挖程度为2 m,共开采30步。开采高度为煤层厚度3.05 m,如图1 所示。

模型计算边界条件为:上部边界为应力边界条件,垂直应力为采深为250 m时产生的应力,水平应力为垂直应力乘以侧压系数,侧压系数为1.2。

图1 数值模拟模型

将两边边界固定,选择莫尔—库伦模型作为本构模型[6-7],根据现场实测数据,工作面初次坡段步距为10 m,根据已有的实验数据及工作面实测数据,选取模型相关煤层及岩层的属性,建立模型。28208工作面煤层及其顶底板岩石物理力学参数如表2所示。

表2 煤岩层块体物理力学参数

3 UDEC数值模拟结果分析

煤层开采后,采空区周围原有的应力平衡状态受到破坏,引起周围应力的重新分布,并且会引起岩层的变形、破坏和移动,采深较小的煤层开挖后,会在采空区上部形成冒落带,裂隙带,弯曲下沉带,即“三带”,由于浅埋煤层埋深较浅,上覆岩层的弯曲下沉会发展至地表,造成地表的弯曲下沉[8-10]。

图2至图7分别为工作面推进2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m时,上覆岩层逐步发生变化的过程。

图2 工作面推进2 m

图3 工作面推进4 m

图4 工作面推进6 m

图5 工作面推进8 m

图6 工作面推进10 m

图7 工作面推进12 m

由图2至图7可以看出,随着工作面持续向前推进,工作面直接顶首先产生弯曲下沉,继而产生裂隙,发生破断,当工作面推进至8 m左右的位置时,直接顶初次冒落。

图8至图15分别为工作面推进16 m、20 m、24 m、28 m、32 m、36 m、50 m、60 m时,上覆岩层逐步发生变化的过程。

图8 工作面推进16 m

图9 工作面推进20 m

图10 工作面推进24 m

图11 工作面推进28 m

图12 工作面推进32 m

图13 工作面推进36 m

图14 工作面推进50 m

图15 工作面推进60 m

从图8—图15可以看出随着工作面的逐步推进,采空区逐渐扩大,当开采距离达到16 m时,基本顶初次垮落初次来压,地表出现下沉,在直接顶垮落之后,老顶也随着工作面的推进逐渐发生位移,但由于煤层厚度较薄,在顶板垮落并与底板接触之后,采空区上覆岩层并不会进一步下降,但是整个工作面上覆岩层下降的区域会进一步向两边持续扩大[11-12]。