基于3DEC 模擬的采空區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和孔隙滲流特征[3-7]。在礦井負壓通風作用下，采空區采動裂隙的發育，會導致裂隙向采空區漏風或上覆采空區有害氣體侵入本煤層工作面[8-12]。采空區遺煤破碎程度越高，越容易氧化升溫，進而導致采空區部分區域出現氣體濃度及溫度異常[13-14]。采動裂隙發育和煤巖體破碎特征影響著采空區遺煤自燃的防治和自然發火預測預報，對礦井安全生產構成威脅。在煤層開采導致的沉陷數值模擬研究中，三維離散單元法程序3DEC 被廣泛應用[15-18]。掌握采空區采動裂隙發育和煤巖體粒徑分布情況對煤礦安全高效生產、采空區自然發火等災害防治具有重要的意義。

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

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，采空區采用全部垮落法管理頂板。

2 3DEC 數值模型的建立

2.1 宏、細觀參數研究

模擬采用彈性塊體模型進行分析，模型的接觸本構模型采用塊體離散單元法（3DEC）內置的庫倫滑移模型。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對模型宏觀參數的影響規律。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摩擦角等細觀參數對模型宏觀參數彈性模量、泊松比、單軸抗壓強度、巴西劈裂抗拉強度的影響。

根據屯寶煤礦實際地質情況，各巖層宏觀力學參數見表1，根據單軸抗壓試驗參數標定結果，各巖層接觸面細觀參數見表2。

表1 各巖層宏觀力學參數

2.2 數值模擬幾何模型建立

結合現場實際情況，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置裂隙分布監測剖面，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 采空區采動裂隙發育模擬分析

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開度較大的零星層狀裂隙，其余剖面上并未出現較為明顯的裂隙擴展現象。

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生大面積的貫通現象，裂隙發育的高度約為基本頂與直接頂的厚度，工作面開采后煤柱兩側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，工作面頂底板巖體產生豎向位移，壓縮工作面采空區空間，頂板處出現垮落，而底板處出現底鼓。Y50 剖面承接Y25 剖面在工作面推進50 m 時的狀態，Y75 剖面承接Y50 剖面在工作面推進50 m 時的狀態，依次類推，Y100 剖面暫未受到工作面推進75 m 時煤層開采導致的應力重分布的影響。

如圖2（d）所示，當工作面推進至100 m 時，Y25 剖面顯示工作面頂底板巖層由于應力作用逐漸出現閉合的狀態，頂底板裂隙的擴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，左側底板裂隙擴展范圍要大于右側底板處裂隙擴展范圍，這與工作面所處的高程有關。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，并且保持穩定。

4 采空區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零星分布的特點。當工作面推進50 m 時，在工作面周圍出現大范圍的離散塊體，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出現離散化，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定狀態。

圖3 WII02040501 工作面不同推進度的采空區離散塊體分布圖

對WII02040501 工作面不同推進度下采空區離散塊體累計體積占比進行統計并繪制分析曲線，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

在工作面正常生產過程中，采空區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；15%集中在0.1～0.3 m3，對應粒徑范圍0.29～0.36 m，該部分主要分布于架后1～3.2 m 的高度內；剩余較大粒徑煤塊主要分布于架后采空區底板3.2 m 以上，越靠近地表的煤塊粒徑越大。

根據模擬結果，開采后采空區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，采空區煤巖體孔隙率下降至5%，并保持穩定，基本未再變化。

5 結論

1）對于超前工作面25 m 以外的范圍，回采對范圍以外的頂底板影響較小，裂隙無明顯發育情況。隨著工作面的回采，滯后工作面25 m 的采空區底板出現較為明顯的弧形裂隙群，高程越低，裂隙分布范圍越廣，并且頂板裂隙發生大面積貫通；滯后工作面50 m 的采空區底板出現底鼓，頂板產生豎向位移，出現垮落，采空區空間壓縮；滯后工作面75 m 的采空區頂板逐漸閉合，之后頂板裂隙未進一步擴大。

2）在工作面正常生產過程中，采空區粒徑體積在0.1 m3以下，對應粒徑范圍在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；粒徑體積在0.1～0.3 m3，對應粒徑范圍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；剩余較大粒徑煤巖體主要分布于架后采空區距底板3.2 m 以上，越靠近地表的煤巖體粒徑越大。

3）根據模擬結果，距離工作面越近，采空區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，采空區煤巖體孔隙率下降至5%，并保持穩定。

4）根據模擬結果，滯后工作面50 m 范圍內的采空區及距底板3.2 m 以下的架后區域為采空區遺煤自然發火重點防治區域。