UDEC在急傾斜特厚煤層開采沉陷數(shù)值模擬中的應(yīng)用

郭春穎，李云龍，劉軍柱

(中國地質(zhì)工程集團(tuán)公司，北京 100083)

煤礦開采引起的開采沉陷問題日益引起世人的關(guān)注，尤其是礦區(qū)鄰近城市周邊的開采沉陷盆地對城市的安全和發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。而人們對傾角在45°以上的急傾斜煤層開采引起的巖層移動和地表塌陷規(guī)律的認(rèn)識還不是很深入，筆者試圖通過UDEC數(shù)值計算軟件，以新疆烏魯木齊六道灣煤礦的開采沉陷問題為例，模擬研究急傾斜特厚煤層開采圍巖破壞運(yùn)動規(guī)律和地表沉陷變形的規(guī)律，找出控制沉陷和巖層破壞的科學(xué)途徑。

1 六道灣礦區(qū)概況

六道灣煤礦位于烏魯木齊礦區(qū)、八道灣向斜南翼的西部,地處烏魯木齊市水磨溝區(qū)六道灣。

礦區(qū)位于博格達(dá)山西北麓與準(zhǔn)噶爾盆地東南緣之間的山前丘陵地帶，地勢西南高，東北低，最高海拔+920m，最低海拔+760m，相對高差一般10～30m，最大50～100m。其中，西山窯組大槽煤侵蝕面在800m水平以下。

礦區(qū)地層為陸相沉積地層，主要為侏羅系及第四系地層，其中侏羅系分布最廣，第四系次之。侏羅系地層有下統(tǒng)的八道灣組和三工河組，中統(tǒng)的西山窯組及頭屯河組，上統(tǒng)的齊古組。西山窯組為區(qū)內(nèi)主要含煤巖系。

開采煤層為侏羅系西山窯組，主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖組成。煤層走向東翼約為北60°東，西翼為北64°-66°東，傾向322°～335°。煤層傾角60°～70°，一般65°。南部的B1～B6煤層形成了兩個組合特厚煤層，B1+2稱為“南大槽”，B3+4+5+6稱為“北大槽”。

2 UDEC數(shù)值模擬軟件簡介及其適用性簡析

通用離散元程序(UDEC，Universal Distinct Element Code)是一個處理不連續(xù)介質(zhì)的二維離散元程序。UDEC用于模擬非連續(xù)介質(zhì)(如巖體中的節(jié)理裂隙等)承受靜載或動載作用下的響應(yīng)。非連續(xù)介質(zhì)是通過離散的塊體集合體加以表示。不連續(xù)面處理為塊體間的邊界面，允許塊體沿不連續(xù)面發(fā)生較大位移和轉(zhuǎn)動。塊體可以是剛體或變形體。變形塊體被劃分成有限個單元網(wǎng)格，且每一單元根據(jù)給定的“應(yīng)力-應(yīng)變”準(zhǔn)則，表現(xiàn)為線性或非線性特性。不連續(xù)面發(fā)生法向和切向的相對運(yùn)動也由線性或非線性“力-位移”的關(guān)系控制。在UDEC中，為完整塊體和不連續(xù)面開發(fā)了幾種材料特性模型，用來模擬不連續(xù)地質(zhì)界面可能顯現(xiàn)的典型特性。UDEC是基于“拉格朗日”算法很好地模擬塊體系統(tǒng)的變形和大位移。

從離散化的角度出發(fā)，巖體本質(zhì)上是節(jié)理介質(zhì)，煤層開采后的覆巖破碎、斷裂、離層等發(fā)育，可作為離散體來處理，且塊體間存在著力的聯(lián)系，因而離散元在礦山巖體力學(xué)和礦山壓力研究中得到較廣泛的應(yīng)用，對模擬急傾斜煤層開采沉陷問題比較適用。

3 數(shù)值建模

3.1 計算范圍

理論分析和計算實(shí)踐表明，當(dāng)由于結(jié)構(gòu)或工程開挖釋放荷載作用于巖體某一部位時，對周圍巖體的應(yīng)力及位移將有明顯影響的范圍大約是開挖或結(jié)構(gòu)與巖體作用面的輪廓尺寸的2.5～3倍，在此范圍之外，影響甚微，可忽略不計。

考慮到離散誤差和計算誤差，為保證計算精度，計算范圍應(yīng)取不小于3～4倍的范圍，結(jié)合本區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件和開采規(guī)模方式，綜合確定模型南邊界為南大槽露頭以南738m左右，北邊界為B33煤層露頭以北1481m左右，底板邊界為+510水平以下510m，煤層傾角取平均值65°，整個模型尺寸為長×高=3 000m×810m。模型位置選取研究區(qū)內(nèi)煤層開采強(qiáng)度最大，塌陷程度最嚴(yán)重的剖面。

3.2 物理力學(xué)參數(shù)的選取

依據(jù)相關(guān)試驗數(shù)據(jù)和研究區(qū)地質(zhì)賦存特點(diǎn)，充分考慮煤系地層多節(jié)理裂隙的特點(diǎn)和煤層與巖層的巖性差異較大的地質(zhì)條件，對試驗得出的力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行適度的折算處理，取巖塊力學(xué)性質(zhì)的1/3左右強(qiáng)度值，綜合各方面因素，確定研究區(qū)地層巖性參數(shù)如表1所示。

表1 地層物性參數(shù)表

3.3 邊界和初始條件的確定

根據(jù)研究問題的需要，選擇的模型范圍受采動影響很小，模型邊界可以認(rèn)為底部無水平和垂直位移，左右兩邊界無水平位移，即速度為零，巖體內(nèi)部只存在天然自重應(yīng)力，因研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較單一，不考慮小斷層和地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力的作用。

4 模型運(yùn)行結(jié)果分析

依據(jù)生產(chǎn)資料顯示的開采順序，確定模型的開挖順序，以期較真實(shí)的模擬礦區(qū)煤層開采引起的應(yīng)力重分布和巖層移動規(guī)律，劃分650水平、540水平和510水平三個水平，本著先開采北大槽再開采南大槽的開采順序?qū)δＰ瓦M(jìn)行開挖，下面分別列出模型運(yùn)行成果，并做分析。

4.1 開采結(jié)束后的應(yīng)力分布云圖

北大槽510水平煤層開采的豎直應(yīng)力和水平應(yīng)力分布云圖見圖1、圖2。隨著煤層開采強(qiáng)度的加大，開采深度的增加，巖體內(nèi)的應(yīng)力水平層狀分布規(guī)律進(jìn)一步遭到破壞和擾動，采空區(qū)周圍形成明顯的泄壓區(qū)和支承壓力區(qū)，符合礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。擾動破壞不斷發(fā)展直達(dá)到地表，圖1、圖2所示北大槽部分采空區(qū)(圖中標(biāo)示采空塌陷區(qū)域)已被坍塌的巖石所充填壓密，形成二次應(yīng)力場。

圖1 豎直應(yīng)力分布云圖

圖2 水平應(yīng)力分布云圖

4.2 北大槽頂板點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變變化曲線

由圖3到圖5的水平方向的應(yīng)力變化曲線、應(yīng)變變化曲線以及應(yīng)力-應(yīng)變變化曲線可以看出巖體由彈性變形階段進(jìn)入塑性階段并最終破壞的全過程。

該點(diǎn)的水平應(yīng)力經(jīng)歷了兩次階越式突變，第一次在a點(diǎn)由2MPa的高壓應(yīng)力突然泄壓至b點(diǎn)0.2Mpa的低應(yīng)力區(qū)，表征巖體因煤層開采而應(yīng)力釋放的過程，并持續(xù)到c點(diǎn)，此階段是巖體裂隙發(fā)育的過程，對應(yīng)圖4中的a點(diǎn)位置，此后巖體產(chǎn)生較大的應(yīng)變變形和應(yīng)力增長的過程，表征此階段巖體發(fā)生破碎并再次壓實(shí)的頂板冒落現(xiàn)象。圖5顯示了巖體應(yīng)力隨應(yīng)變變化的特征曲線。

圖3 北大槽頂板點(diǎn)水平應(yīng)力曲線

圖4 水平應(yīng)變曲線

圖5 水平應(yīng)力-應(yīng)變曲線

垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力相似，經(jīng)歷了大致相同的變化過程。

4.3 頂板的巖移特點(diǎn)

由圖6所示，北大槽頂板產(chǎn)生大面積垮落，部分接觸底板，凹向下方，最大位移量19.473m，地表部分地段有局部隆起現(xiàn)象。

圖6 北大槽頂板豎向巖移圖

圖7 豎向應(yīng)力等值線與位移矢量圖

由圖7可以看到北大槽頂板產(chǎn)生大面積冒頂垮落，垮落方向大致是巖層法線方向稍向下方一點(diǎn)，最大位移量55.81 m，底板的破壞程度明顯沒有頂板劇烈。圖7較清晰的顯示了巖體內(nèi)部破壞運(yùn)移的軌跡，北大槽頂板已經(jīng)大面積垮落，凹向煤層底板，部分已完全垮落到底板上面。

4.4 地表變形及影響范圍

圖8顯示的是地表豎向移動矢量圖，由圖8可見在北大槽深部開采的地表投影附近形成了一個深達(dá)4.2 m的塌陷坑，形成的移動盆地范圍直徑約567 m。

圖8 地表豎向移動矢量圖

圖9顯示的是模型運(yùn)行結(jié)果的塑性區(qū)圖和局部放大圖，由圖9中可以看出，510水平開采時的巖移邊界角β0最大可達(dá)28°，這與地表移動觀測資料得出的邊界角29°54′比較吻合，從現(xiàn)場裂縫的發(fā)展情況看，地表移動還沒有停止，裂縫有向北發(fā)展的趨勢。

圖9 塑性區(qū)圖

5 急斜特厚煤層開采沉陷特點(diǎn)小結(jié)

急斜特厚煤層開采沉陷的特點(diǎn)是圍巖破壞主要向煤層上方發(fā)展，底板側(cè)的破壞相比則明顯小的很，隨采深加大頂板圍巖會逐漸向底板運(yùn)移，但老頂一般只發(fā)生彎曲變形，特別是幾十米的特厚老頂?shù)拇嬖?，有效限制了破壞向頂板的發(fā)展，地表覆蓋層破壞形式呈深槽性地表塌陷。如果在開采過程中分段或水平采用自上而下的充填是及時有效的，破斷的影響范圍是有限的，在老頂上方就可構(gòu)筑永久綠化帶和建筑物，恢復(fù)土地的使用功能，急斜特厚煤層開采的地表就完全可能恢復(fù)為綠色的秀美山川。

[1] 六道灣煤礦巖層與地表移動觀測.

[2] 高召寧，石平五.急傾斜水平分段放頂煤開采巖移規(guī)律[J].西安科技學(xué)院學(xué)報，2001(4)：316-318.

[3] 石平五，高召寧.急斜特厚煤層開采圍巖與覆蓋層破壞規(guī)律[J].煤炭學(xué)報，2003(1).