UDEC模擬再現(xiàn)開采進程中裂隙的發(fā)育規(guī)律

潘慶芳 劉志剛 丁 歡 徐白山

（1．山西能源學院，山西 晉中 030600；2．東北大學，遼寧 沈陽 110819）

0 引言

煤層開采以后形成采空區(qū)，由于煤層的開采，上覆巖巖層松動會形成很多裂隙，如果地下水或地表水順著裂隙進入采空區(qū)，會嚴重威脅礦井工人的安全，因此對裂隙發(fā)育規(guī)律的研究具有十分重要的意義。

國內(nèi)外很多學者對上覆巖裂隙的發(fā)育規(guī)律進行了研究[1]，雖取得了一定的成果。據(jù)現(xiàn)有資料查證，前人采用材料相似模擬、鉆孔法探測、經(jīng)驗類比、經(jīng)驗統(tǒng)計等方法對淺部煤層進行研究，可以得出上覆巖的發(fā)育規(guī)律[2-4]。但對上覆巖巖層巖性、前期存在的裂隙構造產(chǎn)生的繼發(fā)性問題考慮較少，需要進一步分析研究。目前，尤其是對水庫下、中厚煤層大采高開采的裂隙發(fā)育規(guī)律研究更少。

該文考慮了基于巖層巖性、原生裂隙等前提條件，利用UDEC數(shù)值模擬法對水庫下、中厚煤層進行裂隙演變發(fā)育進行研究，為類似地質條件下的煤層開采提供理論指導，并防治水災的發(fā)生。

1 N1S1綜采工作面概況

研究區(qū)N1S1工作面位于3臺子水庫下，水深15 m左右，上覆巖主要包括砂巖、泥巖、油頁巖等多種巖層，工作面采用綜采的開采方法，煤層厚度為15 m，開采深度為430 m，工作面長度為280 m，采放高度為15 m。其上覆巖原生裂隙有4條，具體信息見表1。

表1 N1S1工作面原生裂隙參數(shù)

2 采煤工作面的數(shù)學建模

模型設計：研究開采進程中上覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律，首先要確定研究區(qū)范圍，即模型大小。模型尺寸越大，在開采的進程中對邊界的影響就會越小，但是在建模的過程中，一個模型過大會嚴重降低計算機設備運行的速度，嚴重時會導致卡進、死機的情況，難以較好地完成模擬計算。因此在確定模型范圍時，遵循“對所要研究的問題的結果不會產(chǎn)生顯著的影響”的設計計算原則。經(jīng)過篩選多次模擬最終確定模型的長度為600 m，高度為500 m。

模型單元的劃分：根據(jù)大平煤礦N1S1工作面上覆巖巖層情況，包括巖層巖性、厚度、巖層相對煤層的位置，建立對應的模型，最后通過FISH語言編程得到離散單元網(wǎng)格，各巖層塊體劃分詳情如圖1所示。

圖1 工作面模型示意圖

邊界條件設置：采用摩爾-庫倫模型，根據(jù)N1S1工作面地質情況和地表條件，在模型頂部施加大小為0.1 MPa的均布載荷（由地表以上的水層產(chǎn)生的自重）；在模型的左右邊界及下邊界施加位移約束（位移固定），這樣使我們所建立的模型更加符合研究區(qū)實際的情況。

3 數(shù)值模擬結果及分析

在研究上覆巖裂隙的發(fā)育規(guī)律時，工作面推進長度為280 m，每次開采10 m，模型邊界各留160 m的保護柱。通過UDEC模擬得出上覆巖裂隙的分布情況，隨著工作面的開采，上覆巖巖層中的裂隙有2類：一類是離層裂隙，另一類是縱向裂隙[5]。1）當工作面開采60 m時，對上覆巖巖層影響較明顯，上覆巖頂板出現(xiàn)大幅度的冒落，這是一個從量變到質變的過程，隨著開采工作面的推進，頂板巖層初次來壓，頂板向采空區(qū)冒落，由圖2可知，冒落高度約8 m，冒落的巖層并沒有完全填充采空區(qū)，受拉伸力及剪切力的影響，在冒落巖層上方就會出現(xiàn)離層裂隙，隨著煤層的開采，裂隙繼續(xù)向頂板上方發(fā)育。

當工作面開采90 m時，采空區(qū)上覆巖裂隙進一步發(fā)育，并且伴有部分巖層出現(xiàn)冒落的情況，煤層上覆巖出現(xiàn)卸壓區(qū)，由圖3可知，縱向裂隙在開切眼處開始發(fā)育明顯，在煤層上覆巖32 m處出現(xiàn)大的離層，同時產(chǎn)生塑性破壞，塑性破壞發(fā)育高度到達采空區(qū)上方80 m處。

圖2工作面開采60m上覆巖的變化

圖3 工作面開采90 m上覆巖的變化

當工作面開采180 m時，采空區(qū)上覆巖巖層的變形、移動越來越明顯，大量的上覆巖巖層冒落至采空區(qū)；由圖4可知，隨著煤層的推進，上覆巖巖層離層裂隙近一步發(fā)育到地表，在開切眼上方47 m范圍內(nèi)縱向裂隙進一步發(fā)育，在原生裂隙附近出現(xiàn)許多采動裂隙。由于隨著煤層開采推進，上覆巖巖層下沉量不同，因此產(chǎn)生離層裂隙，其中，在頂板上覆巖泥巖巖層62 m處出現(xiàn)一條大的離層裂隙。

圖4工作面開采180 m上覆巖的變化

當工作面開采280 m時，采空區(qū)上覆巖縱向裂隙進一步發(fā)育到3條原生裂隙附近，在工作面中上部及兩端縱向裂隙發(fā)育較明顯。由圖5可知，在上覆巖巖層69 m、77 m、300 m處出現(xiàn)大的離層裂隙，當煤層的繼續(xù)推進開采工作面，接近地面的上覆巖層進一步出現(xiàn)彎曲沉降帶下沉，進而下方的部分巖層被壓實，在采空區(qū)中上方有一條原生裂隙被壓實，原生裂隙改造融合。但是在采空區(qū)上覆巖320 m～450 m巖層結構被破壞，產(chǎn)生2條大的明顯裂隙。

圖5工作面開采280 m上覆巖的變化

5 結論

運用UDEC模擬軟件，在60 m、90 m、180 m、280 m不同開采的進程中，可以對N1S1工作面上覆巖裂隙發(fā)育演化情況進行分析和再現(xiàn)。

模擬結果表明利用UDEC軟件模擬上覆巖裂隙的發(fā)育情況，能夠為深入研究“三下采煤”類似條件下上覆巖破壞特征提供理論依據(jù)和開采數(shù)值模擬工作。