基于3DEC 模擬的采空區(qū)裂隙及煤巖體粒徑研究

韓 飛 張海洋 王 坤

（1.國能新疆屯寶礦業(yè)有限責任公司，新疆 昌吉 831100；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

煤層開采過程中會形成采動裂隙，其裂隙發(fā)育可能直達地表[1-2]。隨著工作面的開采，上覆巖層不斷下沉壓實采空區(qū)冒落帶，在壓實過程中，煤巖體的破碎特征影響著冒落帶的物理力學性質(zhì)和孔隙滲流特征[3-7]。在礦井負壓通風作用下，采空區(qū)采動裂隙的發(fā)育，會導(dǎo)致裂隙向采空區(qū)漏風或上覆采空區(qū)有害氣體侵入本煤層工作面[8-12]。采空區(qū)遺煤破碎程度越高，越容易氧化升溫，進而導(dǎo)致采空區(qū)部分區(qū)域出現(xiàn)氣體濃度及溫度異常[13-14]。采動裂隙發(fā)育和煤巖體破碎特征影響著采空區(qū)遺煤自燃的防治和自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報，對礦井安全生產(chǎn)構(gòu)成威脅。在煤層開采導(dǎo)致的沉陷數(shù)值模擬研究中，三維離散單元法程序3DEC 被廣泛應(yīng)用[15-18]。掌握采空區(qū)采動裂隙發(fā)育和煤巖體粒徑分布情況對煤礦安全高效生產(chǎn)、采空區(qū)自然發(fā)火等災(zāi)害防治具有重要的意義。

以屯寶煤礦WII02040501 工作面為研究對象，采用現(xiàn)場調(diào)研和3DEC 多邊形單元離散元法對工作面正常開采過程中采空區(qū)采動裂隙發(fā)育和離散煤巖塊粒徑分布進行模擬，分析采空區(qū)裂隙發(fā)育和煤巖體粒徑分布規(guī)律，為采空區(qū)遺煤自然發(fā)火防治工作提供理論依據(jù)。

1 概況

WII02040501 工作面開采M4-5 煤層，為Ⅱ類自燃煤層，最短自然發(fā)火期33 d。工作面東西兩翼及深部各煤層均未回采，工作面傾斜長度203 m，可采走向長度991 m，煤層平均厚度7.9 m，煤層平均傾角17°。工作面采用走向長壁后退式采煤法，綜采放頂煤采煤工藝，機采高度3.2 m，放煤高度4.7 m，采空區(qū)采用全部垮落法管理頂板。

2 3DEC 數(shù)值模型的建立

2.1 宏、細觀參數(shù)研究

模擬采用彈性塊體模型進行分析，模型的接觸本構(gòu)模型采用塊體離散單元法（3DEC）內(nèi)置的庫倫滑移模型。模型的塊體為彈性，即模型的塊體不會發(fā)生破壞，巖石的強度和變形能力完全由塊體之間的接觸面起控制作用，因此，模擬著重分析模型接觸的細觀參數(shù)對模型宏觀參數(shù)的影響規(guī)律。采用單因素分析方法來研究BBM 模型接觸法向剛度、模型接觸法向-剪切剛度比、模型接觸抗拉強度、模型接觸黏聚力和模型接觸內(nèi)摩擦角等細觀參數(shù)對模型宏觀參數(shù)彈性模量、泊松比、單軸抗壓強度、巴西劈裂抗拉強度的影響。

根據(jù)屯寶煤礦實際地質(zhì)情況，各巖層宏觀力學參數(shù)見表1，根據(jù)單軸抗壓試驗參數(shù)標定結(jié)果，各巖層接觸面細觀參數(shù)見表2。

表1 各巖層宏觀力學參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬幾何模型建立

結(jié)合現(xiàn)場實際情況，建立WII02040501 工作面模型尺寸為360 m（X）×100 m（Y）×200 m（Z），工作面傾向長度200 m，中間采用寬為20 m 煤層分隔開，幾何模型如圖1。將工作面劃分4個推進長度段，每段25 m，工作面的推進方向為模型中Y 方向，在4 個不同推進長度上設(shè)置裂隙分布監(jiān)測剖面，分別為Y25 剖面、Y50 剖面、Y75 剖面和Y100 剖面。

圖1 WII02040501 工作面開采模型

3 采空區(qū)采動裂隙發(fā)育模擬分析

對WII02040501 工作面不同推進距離不同剖面上的裂隙分布情況進行模擬分析，模擬結(jié)果如圖2。

圖2 WII02040501 工作面不同推進度下不同剖面裂隙分布圖

如圖2（a）所示，當工作面推進25 m 時，除Y25 剖面，工作面頂板處開始出現(xiàn)開度較大的零星層狀裂隙，其余剖面上并未出現(xiàn)較為明顯的裂隙擴展現(xiàn)象。

如圖2（b）所示，當工作面推進50 m 時，Y25剖面底板處開始出現(xiàn)較為明顯的弧形裂隙群，其寬度約為工作面傾斜長度，且標高較低的工作面底板裂隙分布范圍更廣。而工作面上部的直接頂及基本頂層與層之間的裂隙發(fā)生大面積的貫通現(xiàn)象，裂隙發(fā)育的高度約為基本頂與直接頂?shù)暮穸龋ぷ髅骈_采后煤柱兩側(cè)存在較為明顯的豎向劈裂裂隙，并且逐漸貫通。Y50 剖面上，由于工作面開采，此時工作面周圍應(yīng)力還未重分布，工作面頂板處的裂隙擴展高度及范圍要大于底板處的裂隙擴展范圍，且裂隙擴展的層狀輪廓較為清晰。而Y75 剖面及Y100剖面由于工作面并未推進至此，其應(yīng)力重分布影響范圍并未達到這兩個剖面上，相比Y25 剖面及Y50剖面，Y75 剖面和Y100 剖面沒有明顯的裂隙發(fā)育情況。

如圖2（c）所示，當工作面推進75 m 時，Y25剖面形成了貫通裂隙，工作面頂?shù)装鍘r體產(chǎn)生豎向位移，壓縮工作面采空區(qū)空間，頂板處出現(xiàn)垮落，而底板處出現(xiàn)底鼓。Y50 剖面承接Y25 剖面在工作面推進50 m 時的狀態(tài)，Y75 剖面承接Y50 剖面在工作面推進50 m 時的狀態(tài)，依次類推，Y100 剖面暫未受到工作面推進75 m 時煤層開采導(dǎo)致的應(yīng)力重分布的影響。

如圖2（d）所示，當工作面推進至100 m 時，Y25 剖面顯示工作面頂?shù)装鍘r層由于應(yīng)力作用逐漸出現(xiàn)閉合的狀態(tài)，頂?shù)装辶严兜臄U展范圍并未進一步擴大。與此同時，Y50 剖面、Y75 剖面和Y25 剖面較為相似，只是在工作面閉合程度上存在著差異。造成這種差異的原因是由于工作面的先后推進順序存在著時間差。直觀上看，左側(cè)底板裂隙擴展范圍要大于右側(cè)底板處裂隙擴展范圍，這與工作面所處的高程有關(guān)。Y100 剖面由于工作面剛推進至100 m 處，因此，其裂隙擴展以及圍巖垮落的范圍及程度最小。與前三個不同推進度裂隙分布對比，Y100剖面最終將形成Y25、Y50 及Y75 剖面的裂隙分布形態(tài)，并且保持穩(wěn)定。

4 采空區(qū)離散煤巖塊粒徑分布模擬分析

對WII02040501 工作面不同推進距離與周圍離散塊體的分布情況進行模擬分析，模擬結(jié)果如圖3。當工作面推進25 m 時，在工作面頂板位置離散塊體呈現(xiàn)零星分布的特點。當工作面推進50 m 時，在工作面周圍出現(xiàn)大范圍的離散塊體，頂板處的塊體離散程度高于底板處，且頂板處的離散塊體一般為層狀頂板受力產(chǎn)生裂隙后分離衍生。當工作面推進75 m 時，從直觀上觀察，塊體的離散行為主要由于工作面底板受分隔，頂板塊體的離散性并未在高度上有所增長。當工作面推進100 m 時，工作面底板塊體受力繼續(xù)出現(xiàn)離散化，且向底部蔓延深度有增加的趨勢，而頂板處巖體基本上處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 WII02040501 工作面不同推進度的采空區(qū)離散塊體分布圖

對WII02040501 工作面不同推進度下采空區(qū)離散塊體累計體積占比進行統(tǒng)計并繪制分析曲線，如圖4 所示。當工作面推進25 m 時，不同粒徑塊體之間呈不均勻分布，主要塊體體積集中在29 m3以下，最大塊體體積約29 m3。當工作面推進50 m 時，85%以上的離散塊體體積處于4.1 m3以下，60%的離散塊體體積處于2.1 m3以下，2.1～4.1 m3的離散塊體占比有所增加，占25%左右，15%的離散塊體體積在4.1～20.5 m3之間，最大塊體體積約20.5 m3。當工作面推進75 m 時，80%的離散塊體體積在9 m3以下，2～9 m3的塊體較為分散，其占比約為17.5%，最大塊體體積約29 m3。當工作面推進100 m 時，85%以下的離散塊體體積小于3 m3，約15%的塊體體積在3～12.5 m3，3 m3以內(nèi)的小塊體中60%的離散塊體體積小于0.1 m3，15%集中于0.1～0.3 m3，25%分布于0.3～3 m3，相比于工作面推進75 m 時，大塊體逐漸分離成小塊體。

圖4 WII02040501 工作面不同推進度的離散塊體累計體積占比曲線

在工作面正常生產(chǎn)過程中，采空區(qū)垮冒煤巖體大部分為小塊體，60%粒徑體積在0.1 m3以下，對應(yīng)粒徑范圍在0.29 m 以下，該部分主要分布于架后距離底板1 m 高度內(nèi)；15%集中在0.1～0.3 m3，對應(yīng)粒徑范圍0.29～0.36 m，該部分主要分布于架后1～3.2 m 的高度內(nèi)；剩余較大粒徑煤塊主要分布于架后采空區(qū)底板3.2 m 以上，越靠近地表的煤塊粒徑越大。

根據(jù)模擬結(jié)果，開采后采空區(qū)冒落帶距離工作面越近煤巖體孔隙率越大，冒落帶煤巖體最大孔隙率為31%。冒落帶距離工作面100 m 左右時，采空區(qū)煤巖體孔隙率下降至5%，并保持穩(wěn)定，基本未再變化。

5 結(jié)論

1）對于超前工作面25 m 以外的范圍，回采對范圍以外的頂?shù)装逵绊戄^小，裂隙無明顯發(fā)育情況。隨著工作面的回采，滯后工作面25 m 的采空區(qū)底板出現(xiàn)較為明顯的弧形裂隙群，高程越低，裂隙分布范圍越廣，并且頂板裂隙發(fā)生大面積貫通；滯后工作面50 m 的采空區(qū)底板出現(xiàn)底鼓，頂板產(chǎn)生豎向位移，出現(xiàn)垮落，采空區(qū)空間壓縮；滯后工作面75 m 的采空區(qū)頂板逐漸閉合，之后頂板裂隙未進一步擴大。

2）在工作面正常生產(chǎn)過程中，采空區(qū)粒徑體積在0.1 m3以下，對應(yīng)粒徑范圍在0.29 m 以下的垮冒煤巖體，主要分布于架后距離底板1 m 高度內(nèi)；粒徑體積在0.1～0.3 m3，對應(yīng)粒徑范圍0.29～0.36 m的垮冒煤巖體，主要分布于架后1～3.2 m 高度內(nèi)；剩余較大粒徑煤巖體主要分布于架后采空區(qū)距底板3.2 m 以上，越靠近地表的煤巖體粒徑越大。

3）根據(jù)模擬結(jié)果，距離工作面越近，采空區(qū)冒落帶煤巖體孔隙率越大，最大孔隙率為31%。當工作面推進100 m 左右時，采空區(qū)煤巖體孔隙率下降至5%，并保持穩(wěn)定。

4）根據(jù)模擬結(jié)果，滯后工作面50 m 范圍內(nèi)的采空區(qū)及距底板3.2 m 以下的架后區(qū)域為采空區(qū)遺煤自然發(fā)火重點防治區(qū)域。