淺埋煤層開采覆巖裂隙發育規律的數值模擬

2014-04-02 05:06:56張萬斌高召寧孟祥瑞

中國礦業 2014年4期

張萬斌，高召寧，孟祥瑞

(安徽理工大學能源與安全學院，安徽淮南 232001)

我國西部毛烏蘇沙漠邊緣地下煤層儲量豐富，僅陜西境內的榆神府煤田含煤面積約2.7×104km2，總儲量約2.4×1011t，被列為世界七大煤田之一[1]。該區域的煤層埋藏普遍較淺，基巖較薄，基巖上面常常覆蓋有較厚的風積沙層，風積沙層里面含有地表植被賴以生存的水分。由于基巖較薄，在對煤層進行開采時，采動裂隙很容易與風積沙層貫通，從而使風積沙中的水資源沿著裂隙滲入地下，造成地表水資源的流失，進而造成地表植被破壞，生態環境惡化[2]。因此，研究煤層開采過程中裂隙的發育規律，進而采取合理措施，實現保水開采，對于該地區來說刻不容緩。

在覆巖采動裂隙發育方面，國內外許多學者都做過研究，錢鳴高、許家林等通過物理相似模擬實驗得出，采動裂隙可以分為兩類：一類是橫向離層裂隙，它是隨著巖層的下沉運動在兩個巖層之間出現的裂隙；另一類是豎向裂隙，它是近似豎直發展的穿層裂隙[3]。2008年，繆協興等[4]應用關鍵層理論，研究了上行裂隙帶內隔水關鍵層結構穩定性的概念模型。2010年，中國礦業大學的黃炳香、劉長友、許家林提出了破斷裂隙貫通度的概念[5]。用來描述巖層(組)的破斷程度及破斷裂隙導水能力的強弱。2010年，黃慶享等人[6]以榆神府礦區淺埋煤層地層條件為工程背景，采用應力-應變全程相似和水理性相似技術，首次通過固液耦合模擬研究了淺埋煤層采動覆巖裂隙發育規律。黃慶享在該研究中對上行裂隙和下行裂隙進行了研究，提出了以下行裂隙和上行裂隙為主要指標的隔水層穩定性判據，建立了榆神府礦區淺埋煤層保水開采的分類方法，為淺埋煤層保水開采提供了科學依據。2012年，師本強[7]綜合研究了影響陜北淺埋煤層礦區保水開采的多種因素，并具體研究了各個影響因素是如何影響導水裂隙帶的發育，如何通過控制保水開采的影響因素實現保水開采。2012年，李永明、劉長友、黃炳香等人[8]研究了急傾斜煤層覆巖破斷和裂隙演化的采厚效應，得出了急傾斜煤層堅硬頂板大面積懸頂后破斷將導致導水裂隙的急劇增大的結論。

本文以榆陽礦區某工作面為背景，以非連續介質離散元程序UDEC為基本工具，對淺埋煤層開采中覆巖裂隙發育規律進行研究，為保水開采提供理論指導。

1 工作面概況

榆陽礦區位于毛烏素沙漠南緣，煤層埋藏較淺。該礦區某工作面平均走向長度435m，傾斜長度130m，所采煤層為3煤，煤層平均厚度3.5m，直接頂為泥巖，厚1.5m，老頂為砂巖，厚10m。本工作面煤層結構單一，煤層傾角1°，為近水平煤層。煤層埋深140m，基巖厚度117.5m，最上面的兩層分別為厚15.6m的風化砂巖和厚6.9m的風化泥巖，其中風化砂巖內含有較豐富的水。采煤方法為走向長壁開采，完全垮落法管理頂板。

2 數值模擬模型

為使模型適當簡化，在建模時，對原型中厚度小于等于1m的巖層，合并到與其巖性接近的鄰近巖層中。在本文中，沿走向建立模型，模型長300m，高165.5m，其中老底20m，直接底2m，煤層3.5m，上覆巖層140m，直接模擬到地表。為觀察采動過程中應力和位移的發展變化規律，在模型上布置3條豎直測線，依次編號為一、二、三。每條測線上均布5個測點，如圖1所示，圖1中最下面一層測點(即測點1、6和11)位于老頂巖層中，距離煤層頂板3m，最上面一層測點距煤層頂板59.5m。

圖1 測線與測點布置示意圖

2.1 邊界條件

左右邊界固定水平位移，底部邊界固定垂直位移，頂部為自由邊界。

2.2 模型力學參數

模型中，塊體采用摩爾-庫侖模型，節理材料采用面接觸庫侖滑移模型。煤巖體的力學參數通過如下方法得到：首先從現場取樣，在實驗室測定樣品的力學參數，所得參數為煤巖塊參數，然后根據煤巖塊與煤巖體的力學參數之間的關系[9-10]，將煤巖塊參數乘以適當的系數得到近似的煤巖塊力學參數。本文計算中使用的塊體力學參數和節理參數分別見表1和表2(節理參數中，各節理材料的內聚力和抗拉強度均為0，在表1、表2中未列出)。

2.3 模擬開挖方案

采用分步開挖，每步開挖5m，并在模型兩邊各留40m邊界煤柱。每開挖10m，記錄一次各測點的位移和應力。

表1 巖層的力學性質參數

表2 巖層的節理參數

3 計算結果分析

隨著工作面的推進，直接頂暴露面積逐漸增大，不斷出現橫向離層裂隙，當開挖至15m時，直接頂初次垮落。隨著工作面繼續推進，老頂逐漸出現離層，當開挖至40m時，老頂斷裂、下沉，局部受到底部矸石的支撐而平衡，表明此時老頂初次來壓，即老頂初次來壓步距約為40m。

3.1 覆巖位移變化分析

以工作面距離測點的距離為橫坐標，以測點的下沉量為縱坐標，作圖，圖形如圖2所示。由圖2可以看出，每條測線上的5個測點呈現出明顯的分組下沉現象，以圖2(a)為例，測點1和測點2分別自成一組，測點3、4、5成一組，共三組。其中1號測點下沉最快，2號其次，3、4、5號測點下沉最慢。由此可以推測，在1號和2號、2號和3號測點之間出現了離層裂隙；而3、4、5號三個測點下沉速率一直保持一致，因此3號到5號測點之間的巖層裂隙不發育。3、4、5號三個測點下沉具有同步性，表明它們受到同一層關鍵層所控制[11]。從工作面的位置與測點下沉量的關系來看，當工作面推過測線10～40 m時，測點的下沉量很大，表明這期間內覆巖移動明顯，裂隙快速發育。之后隨著工作面的推進，各測點下沉速率趨緩。

圖2 工作面推進時測點的位移變化曲線

3.2 采動應力狀態分析

在每條測線上選擇3個測點，以工作面距離測線的距離為橫坐標，以測點的垂直應力為縱坐標，作圖，圖形如圖3所示。由圖3可以看出，隨著工作面向前推進，各測點的應力總體變化趨勢為：先緩慢上升，到達峰值以后，迅速下降，至接近于0，然后再緩慢上升，最后趨于穩定。由圖3可以看出，對于大部分測點，當測點位于工作面前方10m時，測點的垂直應力最大。這表明采動時，巖體的超前集中應力峰值位于煤壁前方10m左右。對于測點6和11，當工作面位于其正下方時應力最大，這是因為這些測點離煤層非常近，在這一巖層上超前應力峰值處于煤壁前方10m以內的位置，如圖4所示。由圖4可以看出，應力峰值大致位于煤壁前方13～17m，這與對測點觀測的結論相一致。當測點的應力達到峰值以后，隨著工作面繼續推進，應力迅速減小，直至接近于0。應力降至接近于0是因為隨著煤層被采空，覆巖被破壞，巖層之間出現橫向離層[12]，即巖層與巖層之間不再是緊密接觸，而是出現了裂隙，導致上面的應力無法向下傳遞，巖層逐漸進入卸壓區。最后隨著工作面的繼續推進，應力又緩慢上升，升高到一定程度后穩定，這是因為隨著工作面逐漸遠離測線，測線所在的巖層裂隙逐漸被壓實，應力部分恢復。觀察圖3(a)，當工作面推過測線130m以后，各測點的應力趨于穩定，表明這時候該測線處各覆巖運動已經基本停止。從另一個方面，這可以說明工作面后方130m范圍內，裂隙較為發育，而130m以外裂隙基本彌合。另外，在圖3(b)中，測點6的應力降至0附近以后，并沒有明顯地隨著工作面的推進而回升的現象，這說明該測點所在的巖層一直沒有被壓實，說明該測點位于冒落帶內，裂隙一直很多。

圖3 工作面推進時測點的垂直應力狀態

圖4 工作面推進100 m時的垂直應力等值線圖

3.3 覆巖裂隙發育規律

圖5所示為工作面推進不同距離時候的裂隙發育情況圖。由圖5可以看出，開切眼形成以后，隨著工作面的推進，逐漸在采空區上方巖層中產生大量橫向和豎向裂隙，且以前者為主。在采空區中部，隨著工作面的推進，上位巖層逐漸離層，形成新的裂隙，而下位巖層原來的裂隙逐漸被壓實，裂隙不斷向上發展。在開切眼附近，已經形成的裂隙不會隨著工作面的推進而被壓實。開切眼附近、工作面附近及采空區上方的裂隙近似構成一個梯形，如圖5(b)所示。當工作面推進至140m以后，裂隙發育最大高度基本保持不變，裂隙發育的最大高度為94.5m。