多组煤层开采采动规律数值模拟研究分析

李召辉

（中煤资产管理集团有限公司，北京102249）

目前，多煤层组开采离散元数值计算的研究难度较大，很难实现多个采空区的位移场、速度场、应力场和裂隙区的整体研究[1-2]，尤其是开采保护范围对于瓦斯治理具有较大的指导意义[3-5]。因此，本文通过设定不同的工作面长度，采用UDEC 数值计算软件展开多个采空区的位移场、速度场、应力场和裂隙区的整体研究，并得到开采保护范围的定量区域。

1 工作面概况

平朔井工一矿年产800 万t/a，采用斜立井混合开拓方式，中央分列式通风，回采工作面顶板采用垮落式管理方法。矿井主采C1、C3、C5 煤层，属近水平煤层，煤层赋存稳定，单斜构造，采区范围内无大的断裂，也无岩浆侵入现象。C1 煤层厚度为12 m，煤层中间存在1 层2 m 厚的炭质泥岩夹矸，煤层顶板为粗砂岩，底板为泥岩；C3 煤层厚度为15 m，煤层结构较简单，顶板主要为泥岩，底板为细砂岩；C5 煤层厚度为3 m，煤层结构简单。煤层顶板多为细砂岩，底板为砂质泥岩。C1煤层下方分别为C3 煤层与C5 煤层，距离分别为26.33 m、30.68 m。

2 数值模型的建立

为了获取多煤层开采下应力场、速度场、位移场和裂隙场的演化规律，借助UDEC 离散元数值计算软件构建计算模型，模型的尺寸大小为300 m×142.68 m，自上而下分别是细砂岩、泥岩、C1 煤、粉砂岩、C3 煤、炭质泥岩、C5 煤及泥岩，数值计算模型如图1 所示。煤岩物理参数及节理参数见表1 ～表2，模型的左右和底部设定煤岩块体运动、位移速率为0。顶部设定应力初始值为-11.9196 MPa。

表1 煤岩物理参数Table 1 Physical parameters of coal and rock

表2 煤岩节理力学参数Table 2 Mechanical parameters of coal rock joints

图1 数值计算模型Fig.1 Numerical calculation model

先后开采C5、C3 及C1 煤，重点研究工作面倾向方向采动影响规律，分别为5103、3102 及1101 工作面，按照表3 的设计思路实施数值模拟。

表3 数值模拟方案设计Table 3 Numerical simulation scheme design

3 数值模拟结果分析

按照表3 的设计思路，在同等模型尺寸、相同边界条件及相同应力赋值条件下，实施工作面的开挖，得到σXY、σZZ应力云图，如图2 所示，XDISP和YDISP 云图，如图3 所示，Xvel 和Yvel 云图如图4 所示，裂隙场分布规律如图5 所示。

图3 XDISP 和YDISP 云图Fig.3 XDISP and YDISP cloud images

图4 Xvel 和Yvel 云图Fig.4 Xvel and Yvel cloud images

图5 煤岩裂隙分布示意Fig.5 Fracture distribution of coal and rock

3.1 应力场

随着工作面持续的推进，底部采空区空间逐步缩小并被压实，而中部采空区出现较大的空隙区，顶部因煤岩块体下沉而压实，中部和底部工作面两端头出现应力集中区，SXY 峰值集中在-5～-10 MPa，SZZ 峰值集中在-16～-20 MPa；此外，模型顶部局部卸压区，SXY 应力值集中在-5～0 MPa。

3.2 位移场

随着1101 工作面长度增大，XDISP 和YDISP峰值逐步增大，尤其是YDISP 变化程度明显高于XDISP，顶部采空区下沉明显，最大下沉量发生在模型中上部，XDISP 峰值为-4.0 m，YDISP 峰值集中在-16～-18 m。

3.3 速度场

随着1101 工作面长度增大，煤岩块体移动速率集中区域从模型顶部向中部采空区两侧变化[6]，当1101 工作面长度为60 m 时顶部煤岩Xvel 峰值为-0.4 m/s；当1101 工作面长度为200 m 时，顶部煤岩Xvel 峰值集中在0.6～0.8 m/s，Yvel 峰值为-6 m/s，工作面两侧Yvel 峰值为-7 m/s。

3.4 裂隙场

随着模型顶部1101 工作面长度的增大，中部采空区存在明显的空隙区，底部采空区被逐步压实，裂隙演化规律逐步从采空区底部—中间端部—顶部压实的近似对称裂隙带[7]。

4 多煤层保护范围确定

随着1101 工作面长度的增大，煤层保护范围逐步变大，如图6 所示，左侧开采保护角为21°～76°，右侧开采保护角为25°～69°。

图6 煤岩裂隙分布示意Fig.6 Fracture distribution of coal and rock

5 结语

多煤层组开采时，最底部采空区逐步被压实，顶部煤岩块体逐步下沉，应力集中主要分布在工作面两端部，SZZ 峰值明显高于SXY；位移场变化主要集中在上部采空区，YDISP 变化幅度大于XDISP；采空区上方岩块高速率区域逐步向工作面端部转移，Yvel 速率明显高于Xvel；随着顶部工作面开采长度的增大，被保护层保护范围逐步增大。