基于UDEC數(shù)值模擬的煤層群采動(dòng)裂隙分布及演化規(guī)律分析

何成亮 謝小平 楊錦 敖富貴 成雁飛 代利紅

摘要：為了揭示試驗(yàn)煤礦4煤層開采后頂?shù)装鍘r層的應(yīng)力、位移及裂隙的分布規(guī)律，分析采空區(qū)的冒落帶、裂隙帶、彎曲下層帶的“三帶”范圍，從而確定4煤層的裂隙分布和演化規(guī)律，為鉆孔的布置參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。文章通過(guò)數(shù)值模擬分析得出：1）隨著工作面不斷推進(jìn)基本頂初次斷裂，裂隙不斷向上發(fā)展，上覆巖層離層裂隙最大高度達(dá)到距離煤層頂板34m處;2）在水平方向上，隨著工作面的不斷推進(jìn)，裂隙的范圍不斷增大，以相似的裂隙分布形狀周期性向前發(fā)育;在垂直方向上，隨著工作面的不斷推進(jìn)，裂隙不斷向上發(fā)展，頂板出現(xiàn)明顯的斷裂線，斷裂角度約為50°，離層裂隙層跳躍式向上發(fā)展，最后在頂板上方22.1m處形成大量離層裂隙;3）4號(hào)煤層回采時(shí)，在采動(dòng)的影響下，5號(hào)煤層處于4號(hào)煤層開采卸壓區(qū)內(nèi)，5號(hào)煤層出現(xiàn)大量穿層裂隙，透氣性大增，5號(hào)煤層的瓦斯沿穿層裂隙涌向4號(hào)煤層工作面。

關(guān)鍵詞：高瓦斯;煤層群;數(shù)值模擬;采動(dòng)裂隙

引言

煤層瓦斯，又稱為煤層氣，賦存于煤層之中，近幾年來(lái)，隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，礦井?dāng)?shù)量及煤炭產(chǎn)量迅速增加，礦井向深部延伸過(guò)程中，一些低瓦斯礦井變?yōu)楦咄咚沟V井和突出礦井，瓦斯危害越來(lái)越嚴(yán)重，頻發(fā)的瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重地威脅著礦井工作人員的生命安全，制約著礦井生產(chǎn)的發(fā)展。同時(shí)，瓦斯又是一種清潔、高效的能源，如果將瓦斯資源安全抽采并加以利用，則能實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)、礦井安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的統(tǒng)一。錢鳴高院士首次提出了“煤礦綠色開采”的概念[1-5]，煤與瓦斯共采技術(shù)是綠色開采的重要組成部分之一，其研究?jī)?nèi)容和發(fā)展方向具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。目前，我國(guó)煤礦在防治瓦斯災(zāi)害方面正在轉(zhuǎn)變觀念，在采掘部署上把煤層瓦斯抽采納入煤礦正規(guī)生產(chǎn)的工藝流程，煤層瓦斯的開發(fā)和利用向規(guī)模化、系統(tǒng)化方向發(fā)展。將瓦斯作為一種資源抽采，能夠減少高瓦斯突出礦井治理瓦斯災(zāi)害費(fèi)用，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)在抽采瓦斯資源的同時(shí)治

理礦井瓦斯災(zāi)害，形成一個(gè)良好的循環(huán)模式。

1.1礦井概況

沙曲煤礦位于山西省呂梁市境內(nèi)，隸屬于華晉焦煤有限責(zé)任公司。井田走向長(zhǎng)22km，傾斜寬4.5～8km，面積約135km2。礦區(qū)含局部可采和可采煤層共9層，至上而下分別為2號(hào)～5號(hào)煤層（山西組）、6號(hào)～10號(hào)煤層（太原組），總厚度約為15.4m，煤質(zhì)為優(yōu)質(zhì)焦煤。礦井南翼山西組2號(hào)煤層厚度為0.9m，其下方10m處為3號(hào)煤層，平均厚度為1.2m;其下方21.2m處為4號(hào)煤層，平均厚度為4.02m;其下方26.8m處為5號(hào)煤層，平均厚度為3.42m。全礦井瓦斯絕對(duì)涌出量479.91m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量103.75m3/t，煤層透氣性系數(shù)1.78～3.785m2/（MPa2·d），屬于低透氣性高瓦斯煤層群開采礦井。主采2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)煤層瓦斯壓力分別為0.92Mpa、1.08Mpa、1.50Mpa、1.40Mpa，原始瓦斯含量分別為10.65m3·（t·r）-1、12.55m3·（t·r）-1、10.89m3·（t·r）-1、12.08m3·（t·r）-1，殘余瓦斯量分別為3.40m3·（t·r）-1、3.50m3·（t·r）-1、3.54m3·（t·r）-1、3.64m3·（t·r）-1。礦井主采煤層瓦斯其它基礎(chǔ)參數(shù)具體見表1。

1工程概況

1.2工作面概況

南翼4號(hào)煤層14301工作面內(nèi)煤層厚度在2.2～2.7m之間，平均厚2.45m，傾角3°～6°，平均為4°，工作面內(nèi)地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，整體為一單斜構(gòu)造。14301工作面布置軌道巷、運(yùn)輸巷和尾巷，三條巷道垂直于南三集中膠帶巷，形成“兩進(jìn)一回”通風(fēng)方式。14301工作面設(shè)計(jì)傾斜長(zhǎng)度為220m，可推進(jìn)走向長(zhǎng)度為1445m，采用傾向長(zhǎng)壁采煤法，該工作面為南三采區(qū)首采工作面，南部為14302工作面（未開掘）;北部為杜峪村邊界煤柱;西部為南三采區(qū)集中大巷，東部為膠泥壟村邊界煤柱，14301工作面布置示意如圖1所示。

2 卸壓開采范圍模擬分析

卸壓開采后，周圍的煤巖層向采空區(qū)移動(dòng)，采空區(qū)上方巖體向采空區(qū)方向冒落形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，采空區(qū)下方煤巖體向采空區(qū)膨脹形成裂隙，使得上下方煤巖體產(chǎn)生應(yīng)力、透氣性、瓦斯壓力、位移等變化[6-8]。卸壓開采后應(yīng)力重新分布，采用塑性區(qū)描述卸壓范圍，數(shù)值模擬結(jié)果如圖2 所示。

從圖2 中可以看出，4 號(hào)煤層開采后在煤層頂?shù)装逍纬伤苄詤^(qū)，在煤柱邊界處沿塑性區(qū)邊界作一條切線，便可得到上部煤層開采后，在采空區(qū)上下方形成的卸壓范圍，在傾向方向上，上部卸壓角為48°，下部卸壓角為42°，與集中載荷作用下頂?shù)装鍘r體內(nèi)應(yīng)力分布等值線對(duì)照，可以得出：1）采空區(qū)上下方形成卸壓保護(hù)區(qū)，卸壓區(qū)為漏斗狀，在4 號(hào)煤層上方以一定角度偏向煤柱一側(cè)，4 號(hào)煤層下方以一定的角度偏向采空區(qū)一側(cè);2）被卸壓保護(hù)的5 號(hào)煤層和3 號(hào)煤層處在卸壓保護(hù)區(qū)內(nèi)。

3 鄰近煤層采動(dòng)應(yīng)力分布模擬分析

4 號(hào)煤層回采以后將會(huì)引起鄰近的5 號(hào)、3 號(hào)煤層的垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力和水平位移的變化，應(yīng)力及位移的改變反映了鄰近煤層的卸壓情況。

采用數(shù)值模擬對(duì)4 號(hào)煤層回采時(shí)相鄰煤巖層的垂直應(yīng)力變化進(jìn)行了模擬研究。圖3 為垂直應(yīng)力變化結(jié)果（工作面始采位置及停采位置對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)為80、220m），由圖3 可見，4 號(hào)煤層開采之后，5 號(hào)煤層和3 號(hào)煤層開始卸壓。5 號(hào)煤層處于4 號(hào)煤層的底板位置，并且距離4 號(hào)煤層只有5.6m，因此5 號(hào)煤層隨著4 號(hào)煤層的開采而卸壓，卸壓效果明顯最小垂直應(yīng)力位于工作面附近，最小值接近于0。3 號(hào)煤層距離處于4 號(hào)煤層上方10 處，位于4 號(hào)煤層基本頂上方，基本頂破斷以后3 號(hào)煤層才出現(xiàn)明顯的卸壓，當(dāng)工作面推進(jìn)30m，3 號(hào)煤層的垂直應(yīng)力將為原始應(yīng)力的87%，說(shuō)明3 號(hào)煤層已經(jīng)充分卸壓。

通過(guò)以上數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，4 號(hào)煤層的開采將破壞4 號(hào)煤層鄰近煤巖層的原巖應(yīng)力場(chǎng)，使得鄰近煤巖層產(chǎn)生不同程度的卸壓，煤巖層產(chǎn)生膨脹變形，從而使煤巖體內(nèi)產(chǎn)生大量的順層及穿層裂隙，為瓦斯提供運(yùn)移通道和富集區(qū)域。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)4 號(hào)煤層的頂?shù)装迩闆r進(jìn)行數(shù)值模型分析，主要結(jié)論有：（1）工作面推進(jìn)15m 時(shí)直接頂冒落，冒落高度為3.4m，基本頂未斷裂，裂隙發(fā)育不明顯;當(dāng)工作面推進(jìn)到35m 時(shí)基本頂初次斷裂，裂隙不斷向上發(fā)展，上覆巖層離層裂隙最大高度達(dá)到距離煤層頂板13.2m 處。此后隨著工作面的推進(jìn)裂隙發(fā)育區(qū)不斷向上發(fā)展，當(dāng)工作面推進(jìn)50m 時(shí)工作面頂板上方22.1m 處出現(xiàn)離層裂隙，裂隙的發(fā)育高度達(dá)到了34m，此后，隨著工作面的推進(jìn)，裂隙的發(fā)育高度基本穩(wěn)定在34m。

（2）通過(guò)數(shù)值模擬分析得出，在水平方向上，隨著工作面的不斷推進(jìn)，裂隙的范圍不斷增大，以相似的裂隙分布形狀周期性向前發(fā)育;在垂直方向上，隨著工作面的不斷推進(jìn)，裂隙不斷向上發(fā)展，頂板出現(xiàn)明顯的斷裂線，斷裂角度約為50°，離層裂隙層跳躍式向上發(fā)展，最后在頂板上方22.1m處形成大量離層裂隙。

（3）4 號(hào)煤層回采時(shí)，在采動(dòng)的影響下，5 號(hào)煤層處于4 號(hào)煤層開采卸壓區(qū)內(nèi)，5 號(hào)煤層出現(xiàn)大量穿層裂隙，透氣性大增，5 號(hào)煤層的瓦斯沿穿層裂隙涌向4 號(hào)煤層工作面。

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作者簡(jiǎn)介：何成亮（2001.03-），男，漢族，貴州省威寧縣人，在讀本科學(xué)生，主要從事采礦工程專業(yè)方面的學(xué)習(xí)和研究。

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：202110977009）