基于3DEC 模拟的采空区裂隙及煤岩体粒径研究

韩 飞 张海洋 王 坤

（1.国能新疆屯宝矿业有限责任公司，新疆 昌吉 831100；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；3.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122）

煤层开采过程中会形成采动裂隙，其裂隙发育可能直达地表[1-2]。随着工作面的开采，上覆岩层不断下沉压实采空区冒落带，在压实过程中，煤岩体的破碎特征影响着冒落带的物理力学性质和孔隙渗流特征[3-7]。在矿井负压通风作用下，采空区采动裂隙的发育，会导致裂隙向采空区漏风或上覆采空区有害气体侵入本煤层工作面[8-12]。采空区遗煤破碎程度越高，越容易氧化升温，进而导致采空区部分区域出现气体浓度及温度异常[13-14]。采动裂隙发育和煤岩体破碎特征影响着采空区遗煤自燃的防治和自然发火预测预报，对矿井安全生产构成威胁。在煤层开采导致的沉陷数值模拟研究中，三维离散单元法程序3DEC 被广泛应用[15-18]。掌握采空区采动裂隙发育和煤岩体粒径分布情况对煤矿安全高效生产、采空区自然发火等灾害防治具有重要的意义。

以屯宝煤矿WII02040501 工作面为研究对象，采用现场调研和3DEC 多边形单元离散元法对工作面正常开采过程中采空区采动裂隙发育和离散煤岩块粒径分布进行模拟，分析采空区裂隙发育和煤岩体粒径分布规律，为采空区遗煤自然发火防治工作提供理论依据。

1 概况

WII02040501 工作面开采M4-5 煤层，为Ⅱ类自燃煤层，最短自然发火期33 d。工作面东西两翼及深部各煤层均未回采，工作面倾斜长度203 m，可采走向长度991 m，煤层平均厚度7.9 m，煤层平均倾角17°。工作面采用走向长壁后退式采煤法，综采放顶煤采煤工艺，机采高度3.2 m，放煤高度4.7 m，采空区采用全部垮落法管理顶板。

2 3DEC 数值模型的建立

2.1 宏、细观参数研究

模拟采用弹性块体模型进行分析，模型的接触本构模型采用块体离散单元法（3DEC）内置的库伦滑移模型。模型的块体为弹性，即模型的块体不会发生破坏，岩石的强度和变形能力完全由块体之间的接触面起控制作用，因此，模拟着重分析模型接触的细观参数对模型宏观参数的影响规律。采用单因素分析方法来研究BBM 模型接触法向刚度、模型接触法向-剪切刚度比、模型接触抗拉强度、模型接触黏聚力和模型接触内摩擦角等细观参数对模型宏观参数弹性模量、泊松比、单轴抗压强度、巴西劈裂抗拉强度的影响。

根据屯宝煤矿实际地质情况，各岩层宏观力学参数见表1，根据单轴抗压试验参数标定结果，各岩层接触面细观参数见表2。

表1 各岩层宏观力学参数

2.2 数值模拟几何模型建立

结合现场实际情况，建立WII02040501 工作面模型尺寸为360 m（X）×100 m（Y）×200 m（Z），工作面倾向长度200 m，中间采用宽为20 m 煤层分隔开，几何模型如图1。将工作面划分4个推进长度段，每段25 m，工作面的推进方向为模型中Y 方向，在4 个不同推进长度上设置裂隙分布监测剖面，分别为Y25 剖面、Y50 剖面、Y75 剖面和Y100 剖面。

图1 WII02040501 工作面开采模型

3 采空区采动裂隙发育模拟分析

对WII02040501 工作面不同推进距离不同剖面上的裂隙分布情况进行模拟分析，模拟结果如图2。

图2 WII02040501 工作面不同推进度下不同剖面裂隙分布图

如图2（a）所示，当工作面推进25 m 时，除Y25 剖面，工作面顶板处开始出现开度较大的零星层状裂隙，其余剖面上并未出现较为明显的裂隙扩展现象。

如图2（b）所示，当工作面推进50 m 时，Y25剖面底板处开始出现较为明显的弧形裂隙群，其宽度约为工作面倾斜长度，且标高较低的工作面底板裂隙分布范围更广。而工作面上部的直接顶及基本顶层与层之间的裂隙发生大面积的贯通现象，裂隙发育的高度约为基本顶与直接顶的厚度，工作面开采后煤柱两侧存在较为明显的竖向劈裂裂隙，并且逐渐贯通。Y50 剖面上，由于工作面开采，此时工作面周围应力还未重分布，工作面顶板处的裂隙扩展高度及范围要大于底板处的裂隙扩展范围，且裂隙扩展的层状轮廓较为清晰。而Y75 剖面及Y100剖面由于工作面并未推进至此，其应力重分布影响范围并未达到这两个剖面上，相比Y25 剖面及Y50剖面，Y75 剖面和Y100 剖面没有明显的裂隙发育情况。

如图2（c）所示，当工作面推进75 m 时，Y25剖面形成了贯通裂隙，工作面顶底板岩体产生竖向位移，压缩工作面采空区空间，顶板处出现垮落，而底板处出现底鼓。Y50 剖面承接Y25 剖面在工作面推进50 m 时的状态，Y75 剖面承接Y50 剖面在工作面推进50 m 时的状态，依次类推，Y100 剖面暂未受到工作面推进75 m 时煤层开采导致的应力重分布的影响。

如图2（d）所示，当工作面推进至100 m 时，Y25 剖面显示工作面顶底板岩层由于应力作用逐渐出现闭合的状态，顶底板裂隙的扩展范围并未进一步扩大。与此同时，Y50 剖面、Y75 剖面和Y25 剖面较为相似，只是在工作面闭合程度上存在着差异。造成这种差异的原因是由于工作面的先后推进顺序存在着时间差。直观上看，左侧底板裂隙扩展范围要大于右侧底板处裂隙扩展范围，这与工作面所处的高程有关。Y100 剖面由于工作面刚推进至100 m 处，因此，其裂隙扩展以及围岩垮落的范围及程度最小。与前三个不同推进度裂隙分布对比，Y100剖面最终将形成Y25、Y50 及Y75 剖面的裂隙分布形态，并且保持稳定。

4 采空区离散煤岩块粒径分布模拟分析

对WII02040501 工作面不同推进距离与周围离散块体的分布情况进行模拟分析，模拟结果如图3。当工作面推进25 m 时，在工作面顶板位置离散块体呈现零星分布的特点。当工作面推进50 m 时，在工作面周围出现大范围的离散块体，顶板处的块体离散程度高于底板处，且顶板处的离散块体一般为层状顶板受力产生裂隙后分离衍生。当工作面推进75 m 时，从直观上观察，块体的离散行为主要由于工作面底板受分隔，顶板块体的离散性并未在高度上有所增长。当工作面推进100 m 时，工作面底板块体受力继续出现离散化，且向底部蔓延深度有增加的趋势，而顶板处岩体基本上处于稳定状态。

图3 WII02040501 工作面不同推进度的采空区离散块体分布图

对WII02040501 工作面不同推进度下采空区离散块体累计体积占比进行统计并绘制分析曲线，如图4 所示。当工作面推进25 m 时，不同粒径块体之间呈不均匀分布，主要块体体积集中在29 m3以下，最大块体体积约29 m3。当工作面推进50 m 时，85%以上的离散块体体积处于4.1 m3以下，60%的离散块体体积处于2.1 m3以下，2.1～4.1 m3的离散块体占比有所增加，占25%左右，15%的离散块体体积在4.1～20.5 m3之间，最大块体体积约20.5 m3。当工作面推进75 m 时，80%的离散块体体积在9 m3以下，2～9 m3的块体较为分散，其占比约为17.5%，最大块体体积约29 m3。当工作面推进100 m 时，85%以下的离散块体体积小于3 m3，约15%的块体体积在3～12.5 m3，3 m3以内的小块体中60%的离散块体体积小于0.1 m3，15%集中于0.1～0.3 m3，25%分布于0.3～3 m3，相比于工作面推进75 m 时，大块体逐渐分离成小块体。

图4 WII02040501 工作面不同推进度的离散块体累计体积占比曲线

在工作面正常生产过程中，采空区垮冒煤岩体大部分为小块体，60%粒径体积在0.1 m3以下，对应粒径范围在0.29 m 以下，该部分主要分布于架后距离底板1 m 高度内；15%集中在0.1～0.3 m3，对应粒径范围0.29～0.36 m，该部分主要分布于架后1～3.2 m 的高度内；剩余较大粒径煤块主要分布于架后采空区底板3.2 m 以上，越靠近地表的煤块粒径越大。

根据模拟结果，开采后采空区冒落带距离工作面越近煤岩体孔隙率越大，冒落带煤岩体最大孔隙率为31%。冒落带距离工作面100 m 左右时，采空区煤岩体孔隙率下降至5%，并保持稳定，基本未再变化。

5 结论

1）对于超前工作面25 m 以外的范围，回采对范围以外的顶底板影响较小，裂隙无明显发育情况。随着工作面的回采，滞后工作面25 m 的采空区底板出现较为明显的弧形裂隙群，高程越低，裂隙分布范围越广，并且顶板裂隙发生大面积贯通；滞后工作面50 m 的采空区底板出现底鼓，顶板产生竖向位移，出现垮落，采空区空间压缩；滞后工作面75 m 的采空区顶板逐渐闭合，之后顶板裂隙未进一步扩大。

2）在工作面正常生产过程中，采空区粒径体积在0.1 m3以下，对应粒径范围在0.29 m 以下的垮冒煤岩体，主要分布于架后距离底板1 m 高度内；粒径体积在0.1～0.3 m3，对应粒径范围0.29～0.36 m的垮冒煤岩体，主要分布于架后1～3.2 m 高度内；剩余较大粒径煤岩体主要分布于架后采空区距底板3.2 m 以上，越靠近地表的煤岩体粒径越大。

3）根据模拟结果，距离工作面越近，采空区冒落带煤岩体孔隙率越大，最大孔隙率为31%。当工作面推进100 m 左右时，采空区煤岩体孔隙率下降至5%，并保持稳定。

4）根据模拟结果，滞后工作面50 m 范围内的采空区及距底板3.2 m 以下的架后区域为采空区遗煤自然发火重点防治区域。