大采高工作面上覆巖層發(fā)育特征的數(shù)值模擬

杜 康

(山西潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限公司)

大采高工作面上覆巖層發(fā)育特征的數(shù)值模擬

杜 康

(山西潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限公司)

為掌握上屯留煤礦上覆巖層的發(fā)育特征，以該礦S2106工作面為研究對象，采用UDEC數(shù)值模擬軟件建立了數(shù)值模型，對其上覆巖層的移動規(guī)律進(jìn)行了研究，并得出以下結(jié)論：工作面推進(jìn)45 m時(shí)，冒落帶高度發(fā)育到了31 m，且基本上不再向上發(fā)育；當(dāng)工作面推進(jìn)60 m時(shí)，裂隙帶高度為61 m，基本上也不再隨著工作面的推進(jìn)向上發(fā)育。

冒落帶 裂隙帶 上覆巖層 數(shù)值模擬

隨著我國經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，采煤裝備得到了很大的改進(jìn)，出現(xiàn)了6 m以上的一次采全高的大采高工作面，大大提高煤炭的采出率和工作效率，減少了工作面的搬家次數(shù)，降低了人力、物力的消耗。但由于大采高工作的采出空間大，上覆巖層移動劇烈，給大采高工作面帶來了工作面片幫、周期來壓大及易產(chǎn)生壓架等問題。因此，研究上覆巖層的發(fā)育特征有重要意義[1-3]。

國內(nèi)外不少學(xué)者對上覆巖層發(fā)育特征進(jìn)行了研究。王皓等以安山煤礦2002工作面為對象，研究了淺埋煤層過溝時(shí)上覆巖層的破壞規(guī)律[4]；張若宇等對充填開采上覆巖層裂隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究[5]；楊鵬以補(bǔ)連塔煤礦12406 工作面為對象，對其上覆巖層采動裂隙演化規(guī)律進(jìn)行了相似模擬研究[6]；高云等以常村煤礦N3-8工作面為對象，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對其上覆巖層裂隙發(fā)育特征進(jìn)行了研究[7]。筆者以屯留煤礦S2106工作面為對象，研究了該礦上覆巖層在大采高下的移動規(guī)律，分析了冒落帶和裂隙帶的發(fā)育高度。

1 礦井概況

余吾煤業(yè)屯留井田位于山西省屯留、襄垣縣境內(nèi)，潞礦集團(tuán)的西部。余吾煤業(yè)是潞安集團(tuán)投資建設(shè)的一座大型現(xiàn)代化礦井，井田面積160.24 km2，可采儲量6.79億t，主采3#煤層平均厚度6 m。潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)S2106為該礦單“U”+高、低位頂板抽放巷瓦斯治理模式試驗(yàn)工作面，從西向東3#煤層整體近似為一單斜構(gòu)造，平均坡度5°，東高西低，埋藏深度480～543 m。工作面原始瓦斯含量9.484 6 m3/t，由于預(yù)抽時(shí)間較短，回采期間可解析瓦斯含量7.332 4 m3/t。工作面回采平距1 284 m，切眼平距312 m，為大采長工作面。

2 模型建立

采煤工作面為一個三維空間，分析工作面在回采過程中上覆巖層的移動特征，選擇剖面(A-A)建立數(shù)值模擬模型。模型高度144 m, 寬200 m，UDEC數(shù)值模擬模型如圖1所示。

圖1 工作面布置示意

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

本次建模主要考慮了煤層以上的15層覆巖移動情況，巖層主要參數(shù)如表1所示。

從表1可以看出，17層巖層的力學(xué)性質(zhì)有很大差異，厚薄差異較大，對上覆巖層的移動會產(chǎn)生很大的影響。因此，為了更好地對上覆巖層的移動狀況進(jìn)行研究，依據(jù)上覆巖層厚度以及力學(xué)性質(zhì)等參數(shù)，將每一層巖體都作為一個組，設(shè)置相同的力學(xué)參數(shù)，然后再將其劃分成若干個塊體。圖2為數(shù)值模擬示意，圖3為上覆巖層隨工作面推進(jìn)的移動和裂隙發(fā)育狀況。

從圖3可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，大采高工作面上覆巖層移動比較劇烈，冒落帶發(fā)育高度較高，符合冒落帶高度是采高4～6倍建模經(jīng)驗(yàn)值。當(dāng)工作面向前推進(jìn)10 m時(shí)(圖3(a))，工作面直接頂開始垮落，垮落高度約4.55 m；工作面繼續(xù)推進(jìn)，冒落帶高度持續(xù)向上發(fā)展，一直從直接頂發(fā)展到老頂，再到覆巖層中的泥巖、砂質(zhì)泥巖，當(dāng)工作面推進(jìn)到45 m時(shí)，冒落帶發(fā)展到了亞關(guān)鍵層，冒落帶高度達(dá)到最大，且基本穩(wěn)定在31 m左右；隨著工作面持續(xù)推進(jìn)，亞關(guān)鍵層開始斷裂垮落，采空區(qū)開始逐步被充滿，當(dāng)工作面推進(jìn)到60 m時(shí)(圖3(c))，在亞關(guān)鍵層上部局部區(qū)域出現(xiàn)離層裂隙，并隨著工作面的繼續(xù)向前推進(jìn)，裂隙帶也持續(xù)向上發(fā)展，但是當(dāng)其發(fā)展到主關(guān)鍵層時(shí)不再向上發(fā)育了，最終發(fā)育高度為61 m；當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，主關(guān)鍵層以上巖層不再出現(xiàn)拉張裂隙，而是與主關(guān)鍵層同步，保持其整體形狀，形成了彎曲下沉帶。

表1 UDEC數(shù)值模擬中的巖層力學(xué)參數(shù)

圖2 數(shù)值模擬

通過圖3和以上的分析，得到大采高工作面形成的冒落帶高度為31 m左右，裂隙帶高度為61 m左右。

4 結(jié) 論

以屯留煤礦為研究對象，運(yùn)用UDEC數(shù)值模擬軟件對工作面推進(jìn)過程中上覆巖層裂隙動態(tài)發(fā)育過程進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：推進(jìn)距離為45 m時(shí)，老頂及上覆泥巖、砂質(zhì)泥巖全部垮落，亞關(guān)鍵層尚完好，冒落帶高度達(dá)最大，并不再向上發(fā)展，基本穩(wěn)定在31 m；當(dāng)推進(jìn)到60 m時(shí)，裂隙帶發(fā)育高度為61 m，并且基本穩(wěn)定在61 m。

圖3 不同推進(jìn)距離下裂隙發(fā)育規(guī)律

[1] 王 聯(lián),文良兵,蘆 程.煤巖采動裂隙場的成因及其特征分析[J].煤礦現(xiàn)代化，2013(3):37-38.

[2] 聶榮軍，張慶功，劉振嶺，等.采動覆巖裂隙演化規(guī)律RFPA數(shù)值模擬分析[J].陜西煤炭,2011(4)：25-27.

[3] 朱紅青,張民波,申 健,等.平崗煤礦1202工作面上覆巖層“三帶”的判定[J].科技導(dǎo)報(bào),2013,31(23):45-49.

[4] 王 皓,侯恩科,高 濤.淺埋煤層過溝開采上覆巖層破壞規(guī)律數(shù)值模擬[J].現(xiàn)代礦業(yè),2014(11):22-23.

[5] 張若宇,金元甲.充填開采上覆巖層裂隙拱結(jié)構(gòu)研究[J].現(xiàn)代礦業(yè),2014(11):38-40.

[6] 楊 鵬.采場上覆巖層采動裂隙演化規(guī)律相似模擬研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2014,42(8):121-124.

[7] 高 云,華明國.常村煤礦N3-8工作面上覆巖層裂隙演化規(guī)律研究[J].中州煤炭,2015(1):11-13.

Numerical Simulation of the Overlying Strata Development Characteristics of Large Height of Working Face

Du Kang

(Yuwu Mining Limited Company, Shanxi Lu'an Group)

In order to understand the overlying strata development characteristics in Shangtunliu coal mine, taking the S2106 working face as an example, the numerical model is established by dopting UDEC numerical simulation software so as to analyze the displacement laws of overlying strata. The results show that when the working face advance 45 m, the height of the caving zones development to 31 m, and no longer upward development basically; when the working face advance 60 m, the height of the fissure zone is 61 m, and it is not upward development with the advances of working face basically.

Caving zone, Fissure zone, Overlying strata, Numerical simulation

2015-04-27)

杜 康(1979—)，男，工程師，046000 山西省長治市。