基于UDEC分析確定采場上覆巖層“豎三帶”界限

王志剛，黃　瑜，席朝東，張漢雄，張攀東，幸　福

(1.山西大同晉華宮礦，山西大同830002; 2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京100083)

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基于UDEC分析確定采場上覆巖層“豎三帶”界限

王志剛1，黃瑜2，席朝東2，張漢雄2，張攀東2，幸福2

(1.山西大同晉華宮礦，山西大同830002; 2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京100083)

摘要：采場上覆巖層“豎三帶”范圍直接影響到采空區(qū)的瓦斯抽采和治理。基于UDEC軟件對(duì)王坡煤礦3215工作面采場上覆巖層的垮落規(guī)律進(jìn)行研究，分析采空區(qū)的形成過程中采場巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，根據(jù)研究結(jié)果對(duì)采空區(qū)空間進(jìn)行劃分，從而得出垮落帶和裂隙帶的高度分別為24 m和48 m，裂隙帶以上部分為彎曲下沉帶。這一研究結(jié)果對(duì)于采空區(qū)的瓦斯抽采具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：采空區(qū)；上覆巖層；豎三帶；瓦斯抽采

在采場上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究中，根據(jù)研究的目的和出發(fā)點(diǎn)不同，研究方法主要有力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究、相似材料模擬實(shí)驗(yàn)法、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬法和現(xiàn)場觀測法[1]。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)能夠較好地模擬現(xiàn)場復(fù)雜多變的地質(zhì)條件和開采條件，進(jìn)行深入細(xì)致的計(jì)算分析研究，具有功能強(qiáng)大、操作簡便、運(yùn)算靈活、計(jì)算結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)，是目前較為廣泛應(yīng)用的一種研究方法。

工作面回采后，采空區(qū)周圍巖層從上到下按照頂板破環(huán)方式不同依次被劃分為彎曲下沉帶、裂隙帶和冒落帶，即“豎三帶”[2]。本文將采用UDEC數(shù)值模擬法對(duì)采空區(qū)上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行深入研究，并根據(jù)研究結(jié)果對(duì)采空區(qū)空間進(jìn)行劃分，從而確定三帶的空間分布范圍。

1　3215工作面基本狀況

本文研究對(duì)象為王坡煤礦3215工作面，工作面地表位于楊山村以西，地表為山谷溝壑狀，地面標(biāo)高為1 086 m～1 162 m，工作面標(biāo)高為520 m～580 m。工作面東、西兩側(cè)為實(shí)體煤區(qū)，北部為礦井井田邊界，南部為4條集中大巷。所采煤層為山西組3號(hào)煤，工作面走向長度為1 921 m，傾向長度為180m，地勢比較平緩，煤層傾角為3°～6°，大部分為近水平煤層。3號(hào)煤層埋深560 m，煤層厚度5.76 m，機(jī)采高度3.66 m，放煤高度2.1 m，采放比1.74：1。煤層以黑色，亮煤為主，具有金屬玻璃光澤，堅(jiān)硬、性脆，局部煤質(zhì)松軟、破碎，局部含兩層夾矸。煤層直接底為2.1 m的泥巖或細(xì)粉砂巖，基本底為3.2 m的中砂巖，煤層上方有一層極薄的偽頂，即厚度0.3 m的炭質(zhì)泥巖，直接頂為4.0 m的砂質(zhì)泥巖，老頂為8.89 m的中砂巖。

2　模型的建立

由于本煤層傾角較小，計(jì)算模型設(shè)為水平模型，選取工作面的走向方向（煤壁方向）為X軸，沿煤壁豎直向上方向?yàn)閅軸方向。其中，在X軸方向上，切眼左側(cè)取100 m，右側(cè)取300 m；在Y軸方向上，按照煤層地質(zhì)綜合柱狀圖選定3號(hào)煤底板往下取6 m，3號(hào)煤頂板往上取81.2 m，由此形成了400 m×93 m的原始計(jì)算模型，采用平面應(yīng)力模型。

模型邊界條件：模型的左右邊界為實(shí)體煤巖體，下部邊界為底板，均簡化為位移邊界條件，左右邊界限制水平方向的位移，下部邊界限制豎直方向的位移；上部邊界條件為應(yīng)力邊界條件，載荷簡化為均布載荷[3]，即：q=∑γh=14.3 MPa。

巖體采用摩爾-庫侖模型，節(jié)理采用節(jié)理面接觸-庫倫滑移模型，煤巖層節(jié)理簡化為水平方向與豎直方向兩組節(jié)理。在初始模型上施加初始應(yīng)力及邊界條件，運(yùn)行至平衡,繼續(xù)開挖200 m后模型達(dá)到平衡狀態(tài)，見圖1。

圖1　模型回采200 m后達(dá)到平衡狀態(tài)

根據(jù)相關(guān)資料選取模擬所需的各巖層物理力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1　3號(hào)煤層及頂?shù)装甯鲙r層力學(xué)參數(shù)

在頂板巖層中設(shè)定監(jiān)測線和監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測頂板下沉量。在模型中布置1條豎直測線，每隔8 m布置1個(gè)測點(diǎn)，共布置11個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。測線的X坐標(biāo)為200 m，測線上檢測點(diǎn)的坐標(biāo)布置，如表2所示。

表2　“豎三帶”監(jiān)測點(diǎn)位置布置表

3　數(shù)值模擬結(jié)果分析

在工作面向前開挖200 m時(shí)，對(duì)監(jiān)測線上的監(jiān)測點(diǎn)的Y方向位移變化進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)模型運(yùn)行平衡時(shí)，得到監(jiān)測線上監(jiān)測點(diǎn)垂直位移變化曲線,見圖2。

圖2　測線上各監(jiān)測點(diǎn)垂直位移變化圖

對(duì)圖中所示測線的各監(jiān)測點(diǎn)的垂直位移變化曲線進(jìn)行分析，可知：

1）頂板最大下沉量為測點(diǎn)1處，該點(diǎn)處于采空區(qū)上方直接頂中部的最下部，其下沉量約為5.33 m，而工作面采高為5.76 m，這說明直接頂巖層已經(jīng)充分冒落，接觸到采空區(qū)的底板。

2）測線上處于下部的測點(diǎn)垂直位移變化明顯，呈現(xiàn)陡然下降趨勢，而靠近中部和上部的監(jiān)測點(diǎn)的垂直位移變化比較平緩。這是因?yàn)橄虏繙y點(diǎn)處于垮落帶內(nèi)，伴隨著頂板的垮落，位移急劇增大，而中部和上部監(jiān)測點(diǎn)則處于裂隙帶或彎曲下沉帶內(nèi)，巖層僅發(fā)生離層或輕微下沉，所以位移變化比較平緩。

3）在距離3號(hào)煤層頂板上方一定距離的某測點(diǎn)處，其以上的所有監(jiān)測點(diǎn)頂板下沉量很相近，而其以下的測點(diǎn)下沉量則明顯大于此測點(diǎn)以上巖層的下沉量，這表明從此測點(diǎn)往下的巖層處于裂隙帶和冒落帶內(nèi)，而此測點(diǎn)以上的上覆巖層則處于彎曲下沉帶。如圖2所示，測點(diǎn)1處巖層垂直位移為5.33 m，其上的測點(diǎn)2、測點(diǎn)3、和測點(diǎn)4，下沉量也都大于3.00 m，可以判斷頂板測點(diǎn)4及其以下的頂板巖層已經(jīng)垮落。測點(diǎn)5到測點(diǎn)10之間的頂板的下沉量在1.00 m～3.00 m之間，表明在此段之間的巖層垂直位移較大，但還沒有達(dá)到垮落的程度，因此初步推斷測點(diǎn)10號(hào)為裂隙帶與彎曲下沉帶的分界處。

據(jù)此，對(duì)照各測點(diǎn)Y坐標(biāo)，可以得出冒落帶高度約為24 m，裂隙帶高度約為48 m，裂隙帶頂部以上部分為彎曲下沉帶。

4　結(jié)論

1）運(yùn)用UDEC數(shù)值模擬軟件對(duì)王坡礦3215工作面上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，得出了垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶的空間分布范圍，確定了采場上覆巖層“豎三帶”的界限。

2）研究結(jié)果進(jìn)一步明確了采空區(qū)的形成過程和采場上覆巖層的運(yùn)動(dòng)演化規(guī)律，從而為采空區(qū)瓦斯抽放和治理提供重要的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊卓明,趙耀江,吳兵.基于UDEC采場上覆巖層應(yīng)力分布及破壞規(guī)律研究[J].煤炭技術(shù), 2014(8):267- 270.

[2]黃學(xué)滿.煤礦采場“豎三帶”的確定方法及應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù), 2013(8): 48- 50.

[3]郝志勇,林柏泉,張家山,等.基于UDEC的保護(hù)層開采中覆巖移動(dòng)規(guī)律的數(shù)值模擬與分析[J].中國礦業(yè), 2007, 16(7): 81- 84.

（編輯：樊敏）

Determination of Vertical Three-zone of Overlying Strata in the Mining Area Based on UDEC

WANG Zhigang1, HUANG Yu2, XI Chaodong2, ZHANG Hanxiong2, ZHANG Pandong2, XING Fu2
(1. Jinhuagong Mine, Datong 830003, China; 2. Faculty of Resources & Safety Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing, 100083, China)

Abstract:The range of vertical three- zone of overlying strata directly affects the gas drainage and control in goaf. Based on UDEC software, overlying strata caving regularity of No.3215 working face in Wangpo Mine was studied. In the process of goaf formation, strata movement law was studied in order to divide the space of the goaf. The results show that the height of caving zone and fissure zone is 24 meters and 48 meters, respectively. The part above the fissure zone is a bending subsidence zone. The study could guide the gas drainage in goaf.

Keywords:goaf; overlyingstrata; vertical three- zone; gas drainage

作者簡介：王志剛(1986- )，男，山西大同人，大學(xué)本科，助理工程師，從事礦山開采技術(shù)研究工作。

收稿日期：2015- 10- 13

DOI:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.01.011

文章編號(hào)：1672- 5050（2016）01- 0035- 03

中圖分類號(hào)：TD325

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A