UDEC模拟再现开采进程中裂隙的发育规律

2020-12-25潘庆芳刘志刚徐白山

中国新技术新产品 2020年19期

潘庆芳刘志刚丁欢徐白山

（1．山西能源学院，山西晋中 030600；2．东北大学，辽宁沈阳 110819）

0 引言

煤层开采以后形成采空区，由于煤层的开采，上覆岩岩层松动会形成很多裂隙，如果地下水或地表水顺着裂隙进入采空区，会严重威胁矿井工人的安全，因此对裂隙发育规律的研究具有十分重要的意义。

国内外很多学者对上覆岩裂隙的发育规律进行了研究[1]，虽取得了一定的成果。据现有资料查证，前人采用材料相似模拟、钻孔法探测、经验类比、经验统计等方法对浅部煤层进行研究，可以得出上覆岩的发育规律[2-4]。但对上覆岩岩层岩性、前期存在的裂隙构造产生的继发性问题考虑较少，需要进一步分析研究。目前，尤其是对水库下、中厚煤层大采高开采的裂隙发育规律研究更少。

该文考虑了基于岩层岩性、原生裂隙等前提条件，利用UDEC数值模拟法对水库下、中厚煤层进行裂隙演变发育进行研究，为类似地质条件下的煤层开采提供理论指导，并防治水灾的发生。

1 N1S1综采工作面概况

研究区N1S1工作面位于3台子水库下，水深15 m左右，上覆岩主要包括砂岩、泥岩、油页岩等多种岩层，工作面采用综采的开采方法，煤层厚度为15 m，开采深度为430 m，工作面长度为280 m，采放高度为15 m。其上覆岩原生裂隙有4条，具体信息见表1。

表1 N1S1工作面原生裂隙参数

2 采煤工作面的数学建模

模型设计：研究开采进程中上覆岩裂隙发育规律，首先要确定研究区范围，即模型大小。模型尺寸越大，在开采的进程中对边界的影响就会越小，但是在建模的过程中，一个模型过大会严重降低计算机设备运行的速度，严重时会导致卡进、死机的情况，难以较好地完成模拟计算。因此在确定模型范围时，遵循“对所要研究的问题的结果不会产生显著的影响”的设计计算原则。经过筛选多次模拟最终确定模型的长度为600 m，高度为500 m。

模型单元的划分：根据大平煤矿N1S1工作面上覆岩岩层情况，包括岩层岩性、厚度、岩层相对煤层的位置，建立对应的模型，最后通过FISH语言编程得到离散单元网格，各岩层块体划分详情如图1所示。

图1 工作面模型示意图

边界条件设置：采用摩尔-库伦模型，根据N1S1工作面地质情况和地表条件，在模型顶部施加大小为0.1 MPa的均布载荷（由地表以上的水层产生的自重）；在模型的左右边界及下边界施加位移约束（位移固定），这样使我们所建立的模型更加符合研究区实际的情况。

3 数值模拟结果及分析

在研究上覆岩裂隙的发育规律时，工作面推进长度为280 m，每次开采10 m，模型边界各留160 m的保护柱。通过UDEC模拟得出上覆岩裂隙的分布情况，随着工作面的开采，上覆岩岩层中的裂隙有2类：一类是离层裂隙，另一类是纵向裂隙[5]。1）当工作面开采60 m时，对上覆岩岩层影响较明显，上覆岩顶板出现大幅度的冒落，这是一个从量变到质变的过程，随着开采工作面的推进，顶板岩层初次来压，顶板向采空区冒落，由图2可知，冒落高度约8 m，冒落的岩层并没有完全填充采空区，受拉伸力及剪切力的影响，在冒落岩层上方就会出现离层裂隙，随着煤层的开采，裂隙继续向顶板上方发育。

当工作面开采90 m时，采空区上覆岩裂隙进一步发育，并且伴有部分岩层出现冒落的情况，煤层上覆岩出现卸压区，由图3可知，纵向裂隙在开切眼处开始发育明显，在煤层上覆岩32 m处出现大的离层，同时产生塑性破坏，塑性破坏发育高度到达采空区上方80 m处。

图2工作面开采60m上覆岩的变化

图3 工作面开采90 m上覆岩的变化

当工作面开采180 m时，采空区上覆岩岩层的变形、移动越来越明显，大量的上覆岩岩层冒落至采空区；由图4可知，随着煤层的推进，上覆岩岩层离层裂隙近一步发育到地表，在开切眼上方47 m范围内纵向裂隙进一步发育，在原生裂隙附近出现许多采动裂隙。由于随着煤层开采推进，上覆岩岩层下沉量不同，因此产生离层裂隙，其中，在顶板上覆岩泥岩岩层62 m处出现一条大的离层裂隙。

图4工作面开采180 m上覆岩的变化

当工作面开采280 m时，采空区上覆岩纵向裂隙进一步发育到3条原生裂隙附近，在工作面中上部及两端纵向裂隙发育较明显。由图5可知，在上覆岩岩层69 m、77 m、300 m处出现大的离层裂隙，当煤层的继续推进开采工作面，接近地面的上覆岩层进一步出现弯曲沉降带下沉，进而下方的部分岩层被压实，在采空区中上方有一条原生裂隙被压实，原生裂隙改造融合。但是在采空区上覆岩320 m～450 m岩层结构被破坏，产生2条大的明显裂隙。