淺埋煤層工作面的UDEC數(shù)值模擬研究

梁永超

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司 東曲礦,太原 030200)

淺埋煤層的典型特征是埋深淺、基巖薄、上覆厚松散沙層,根據(jù)已有資料表明,淺埋煤層的礦壓顯現(xiàn)不一定比深埋煤層小,淺埋煤層工作面頂板破斷運(yùn)動(dòng)具有特殊性。從巖層控制層面考慮淺埋煤層,是巖層控制領(lǐng)域急需解決的關(guān)鍵問題之一[1-3]。

UDEC模擬軟件是一個(gè)針對非連續(xù)介質(zhì)模型的二維離散元數(shù)值計(jì)算程序,應(yīng)用于采礦工程主要有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):一是允許離散的巖塊產(chǎn)生大的變形,并且允許巖塊沿節(jié)理面滑動(dòng);二是模型可以自動(dòng)適應(yīng)新的接觸面。本文利用UDEC建立數(shù)值模型,利用所建立的模型研究相關(guān)工作面頂板,期望為相關(guān)礦井工作面安全高效開采提供參考依據(jù)[4-5]。

1 工程背景

山西焦煤集團(tuán)東曲礦28208工作面位于麻坪嶺以北,小沙巖以南,上方地面有白家山村(已搬遷),煤層厚度為3.05 m,蓋山厚度214 m～343 m,走向長度為1 198 m～1 266 m,傾斜長度為226 m,面積為271 663 m2,工作面對應(yīng)地面標(biāo)高為1 124 m～1 256 m,工作面標(biāo)高為861 m～945 m。工作面的老頂為石灰?guī)r,厚度為4.40 m,直接頂為泥巖,厚度為0.95 m,直接底為砂質(zhì)泥巖,厚度為4.20 m,如表1所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2 數(shù)值模型的建立

對淺埋煤層條件下28208工作面進(jìn)行數(shù)值模擬建立,計(jì)算模型長度為100 m,高度為42.08 m。工作面數(shù)值模型自下而上依次為:細(xì)粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、煤、炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、9號煤、砂質(zhì)泥巖、8號煤、泥巖、8號上煤、石灰?guī)r、細(xì)粒砂巖、中粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖、石灰?guī)r、細(xì)粒砂巖、7號煤。28208工作面老頂為石灰?guī)r,直接頂為泥巖,直接底為砂質(zhì)泥巖。模型每次開挖程度為2 m,共開采30步。開采高度為煤層厚度3.05 m,如圖1 所示。

模型計(jì)算邊界條件為:上部邊界為應(yīng)力邊界條件,垂直應(yīng)力為采深為250 m時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力,水平應(yīng)力為垂直應(yīng)力乘以側(cè)壓系數(shù),側(cè)壓系數(shù)為1.2。

圖1 數(shù)值模擬模型

將兩邊邊界固定,選擇莫爾—庫倫模型作為本構(gòu)模型[6-7],根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù),工作面初次坡段步距為10 m,根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及工作面實(shí)測數(shù)據(jù),選取模型相關(guān)煤層及巖層的屬性,建立模型。28208工作面煤層及其頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 煤巖層塊體物理力學(xué)參數(shù)

3 UDEC數(shù)值模擬結(jié)果分析

煤層開采后,采空區(qū)周圍原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞,引起周圍應(yīng)力的重新分布,并且會引起巖層的變形、破壞和移動(dòng),采深較小的煤層開挖后,會在采空區(qū)上部形成冒落帶,裂隙帶,彎曲下沉帶,即“三帶”,由于淺埋煤層埋深較淺,上覆巖層的彎曲下沉?xí)l(fā)展至地表,造成地表的彎曲下沉[8-10]。

圖2至圖7分別為工作面推進(jìn)2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m時(shí),上覆巖層逐步發(fā)生變化的過程。

圖2 工作面推進(jìn)2 m

圖3 工作面推進(jìn)4 m

圖4 工作面推進(jìn)6 m

圖5 工作面推進(jìn)8 m

圖6 工作面推進(jìn)10 m

圖7 工作面推進(jìn)12 m

由圖2至圖7可以看出,隨著工作面持續(xù)向前推進(jìn),工作面直接頂首先產(chǎn)生彎曲下沉,繼而產(chǎn)生裂隙,發(fā)生破斷,當(dāng)工作面推進(jìn)至8 m左右的位置時(shí),直接頂初次冒落。

圖8至圖15分別為工作面推進(jìn)16 m、20 m、24 m、28 m、32 m、36 m、50 m、60 m時(shí),上覆巖層逐步發(fā)生變化的過程。

圖8 工作面推進(jìn)16 m

圖9 工作面推進(jìn)20 m

圖10 工作面推進(jìn)24 m

圖11 工作面推進(jìn)28 m

圖12 工作面推進(jìn)32 m

圖13 工作面推進(jìn)36 m

圖14 工作面推進(jìn)50 m

圖15 工作面推進(jìn)60 m

從圖8—圖15可以看出隨著工作面的逐步推進(jìn),采空區(qū)逐漸擴(kuò)大,當(dāng)開采距離達(dá)到16 m時(shí),基本頂初次垮落初次來壓,地表出現(xiàn)下沉,在直接頂垮落之后,老頂也隨著工作面的推進(jìn)逐漸發(fā)生位移,但由于煤層厚度較薄,在頂板垮落并與底板接觸之后,采空區(qū)上覆巖層并不會進(jìn)一步下降,但是整個(gè)工作面上覆巖層下降的區(qū)域會進(jìn)一步向兩邊持續(xù)擴(kuò)大[11-12]。

4 結(jié)論

通過UDEC數(shù)值模擬,對東曲礦淺埋煤層28208工作面進(jìn)行數(shù)值模擬分析,得到以下幾個(gè)方面的認(rèn)識:

1)在工作面在推進(jìn)到8 m左右處時(shí),直接頂將會首先發(fā)生破斷,但由于28208工作面直接頂為較薄的泥巖,所以在直接頂發(fā)生破斷的同時(shí),老頂巖層也發(fā)生了垮落;當(dāng)工作面推進(jìn)至16 m 時(shí),直接頂發(fā)生初次垮落,充填采空區(qū),模擬所得的頂板來壓情況與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果基本相同,可根據(jù)結(jié)果在相應(yīng)時(shí)間段對頂板加強(qiáng)支護(hù)。

2)煤層上覆巖層在工作面采動(dòng)影響下會產(chǎn)生裂隙,隨著工作面持續(xù)向前推進(jìn),巖層裂隙從下位巖層逐步向上位巖層發(fā)展,隨著采空區(qū)垮落巖石逐漸壓實(shí)穩(wěn)定,采空區(qū)中部的裂隙會逐漸閉合,裂隙呈現(xiàn)中央少兩端多的狀態(tài)。

3)薄煤層開采時(shí),工作面開采后直接頂發(fā)生垮落,垮落的巖層會充實(shí)采空區(qū),但是由于煤層厚度較小,老頂可能只是部分垮落,所以上覆巖層運(yùn)動(dòng)范圍較小,來壓強(qiáng)度較小。