煤層群采動裂隙分布及演化規律的數值模擬方案設計

何成亮 謝小平 楊錦 敖富貴 成雁飛 代利紅

摘要：UDEC是一種基于非連續體模擬離散單元法的數值計算程序，本次數值模擬是為了揭示試驗煤礦4煤層開采后頂底板巖層的應力、位移及裂隙的分布規律，分析采空區的冒落帶、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律，為鉆孔的布置參數優化提供依據。試驗煤礦4號煤層傾角平均為4°，工作面沿走向推進，依次建立了工作面推進方向的水平數值計算模型和工作面傾向模型，并對模型參數進行選取。

關鍵詞：高瓦斯;煤層群;數值模擬;方案設計

引言

UDEC（UniversalDistinctElementCode）是一種基于非連續體模擬離散單元法的數值計算程序。它主要模擬靜載或動載條件下非連續介質（如節理塊體）的力學行為特征，通過離散塊體的組合來反映非連續介質，節理被當作塊體間的邊界條件來處理，允許塊體沿節理面運動及回轉。單個塊體可以表現為剛體也可以表現為可變形體[1-4]。用UDEC能很好地模擬煤層開挖后頂板冒落、垮落、離層的過程，以工作面走向剖面和傾向剖面為現場模型，建立數值模型，研究工作面上覆巖層運動規律。卸壓開采后，周圍的煤巖層向采空區移動，采空區上方巖體向采空區方向冒落形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，采空區下方煤巖體向采空區膨脹形成裂隙，使得上下方煤巖體產生應力、透氣性、瓦斯壓力、位移等變化[5-8]。

煤層瓦斯，又稱為煤層氣，賦存于煤層之中，近幾年來，隨著煤炭工業的發展，礦井數量及煤炭產量迅速增加，礦井向深部延伸過程中，一些低瓦斯礦井變為高瓦斯礦井和突出礦井，瓦斯危害越來越嚴重，頻發的瓦斯災害嚴重地威脅著礦井工作人員的生命安全，制約著礦井生產的發展。同時，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，則能實現能源供應、礦井安全生產和環境保護的統一。

1工程概況

某礦井14301工作面為傾向長壁工作面，為南三采區第一個回采工作面，北面為杜峪村保護煤柱;南面為14302工作面，未開掘;東面為膠泥壟村保護煤柱，西面至南三采區大巷。工作面設計兩進一回，為“刀把”型工作面，三條順槽都與南三集中膠帶巷垂直。軌道順槽1502m（1302+200m），膠帶順槽長1468m，回風順槽長1463m，工作面切眼寬220m（100m+120m），工作面可采長度為1445m，可采面積為0.298km2。地質儲量（Qd）為102.2萬t，可采儲量（Qk）為94.3萬t。

工作面底板標高預計在440～570m之間，工作面上覆地表均為黃土覆蓋區，地面標高為855～995m，預計蓋山厚度為470～540m，地表由四個近似南北向的沖溝和黃土峁梁相間分布組成，為典型的黃土丘陵地貌，地表附著有蘋果樹，通往強家塔村的小路，無建筑物等設施。工作面煤厚在2.2～2.7m之間，平均2.45m。煤層呈黑色，結構均一。煤巖組分以鏡煤為主，條帶狀，煤巖類型為光亮型煤。14301工作面整體為一單斜構造，煤層走向320°，傾向SW，傾角3°～6°，平均為4°。工作面地質條件相對簡單，預計掘進過程中局部地段會揭露小型斷裂構造或煤層變薄帶。

根據本采區已采工作面瓦斯資料情況分析，預計正常情況下，14301掘進工作面絕對瓦斯涌出量為3～8m3/min之間，遇特殊地質條件、會發生瓦斯動力現象，瞬間瓦斯濃度會增大好幾倍，給安全生產帶來嚴重隱患，發生瓦斯動力現象一般在遇小型構造附近，煤層產狀、煤層厚度變化大的地段，以及煤層受地質應力作用變軟或煤層結構遭到破壞的地段。

2模型的建立及方案的設計

本次模擬是為了揭示4煤層開采后頂底板巖層的應力、位移及裂隙的分布規律，分析采空區的冒落帶、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律，為鉆孔的布置參數優化提供依據。沙曲煤礦4號煤層傾角平均為4°，工作面沿走向推進，依次建立工作面推進方向的水平數值計算模型和工作面傾向模型[80]，見圖2。

在工作面推進方向，4號煤層工作面基本頂的初次垮落步距為34m，周期來壓步距為14m，為模擬初次來壓前后和周期來壓期間的裂隙演化和應力、位移變化情況，在走向推進方向設計了以下6種模擬方案：1）工作面的推進距離為15m;2）工作面的推進距離為35m;3）工作面的推進距離為50m;4）工作面的推進距離為80m;5）工作面的推進距離為110m;6）工作面的推進距離為140m。

同時，為了研究工作面傾向方向的裂隙及離層情況，建立了傾向數值模型。根據14301綜采工作面綜合柱狀圖，結合模擬的目的，建立的數值分析模型如圖2，走向模型尺寸為300×55.7m，傾向模型尺寸為380×90m。

3模擬的內容及參數的選取

模擬的內容圍繞模擬的目的進行，本次模擬主要是要看在4煤層開采后，頂板冒落、巖層活動、三帶分布、裂隙分布、垂直位移、垂直應力、水平應力等的分布情況及上覆巖層活動穩定與開采時間的關系。

根據原始地質資料中各層巖層的不同巖性，試驗得到各層巖體物理力面的物理力學參數如表2所示。

4結論

本次數值模擬是為了揭示4煤層開采后頂底板巖層的應力、位移及裂隙的分布規律，分析采空區的冒落帶、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律，為鉆孔的布置參數優化提供依據。試驗煤礦4號煤層傾角平均為4°，工作面沿走向推進，依次建立了工作面推進方向的水平數值計算模型和工作面傾向模型，并對模型參數進行選取。

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作者簡介：何成亮（2001.03-），男，漢族，貴州省威寧縣人，在讀本科學生，主要從事采礦工程專業方面的學習和研究。

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