基于離散元方法的深部采面“兩帶”高度研究*

姜京福 劉志剛 藺成森

(1.山東能源淄礦集團新河礦業(yè);2.山東唐口煤業(yè)有限公司;3.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院)

基于離散元方法的深部采面“兩帶”高度研究*

姜京福1，2劉志剛3藺成森2

(1.山東能源淄礦集團新河礦業(yè);2.山東唐口煤業(yè)有限公司;3.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院)

根據(jù)某礦1307工作面特點，采用離散元數(shù)值模擬方法，建立了數(shù)值計算彈塑性平面本構(gòu)模型，對上覆巖層應(yīng)力、位移、塑形變形開展了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，1307工作面開采后在采空區(qū)中心向上依次為拉應(yīng)力區(qū)、拉壓應(yīng)力交變區(qū)和壓應(yīng)力區(qū)，而在煤壁處及向上均為壓應(yīng)力區(qū)；此外，不同巖性應(yīng)力分布情況不同，在砂巖中應(yīng)力集中程度很高；導(dǎo)水裂縫發(fā)育高度為48.1 m，冒落帶高度為14.6 m。結(jié)果為工作面安全開采提供了理論依據(jù)。

離散元方法 UDEC 數(shù)值模擬 裂隙帶 冒落帶

煤炭工業(yè)是我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，近幾年能源多元化已經(jīng)成為發(fā)展主導(dǎo)，尤其是核能、風(fēng)能、太陽能等新能源的發(fā)展對能源結(jié)構(gòu)調(diào)整產(chǎn)生了一定影響，但我國煤炭資源較為豐富，低廉開采成本使煤炭在一次能源消耗依然占到了74%左右[1]。然而，煤礦地下開采受地下水影響較大[2]，開采使上覆含水巖層受影響后會出現(xiàn)導(dǎo)水情況，威脅工作面安全開采，因此，對于工作面回采上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶的研究至關(guān)重要。

現(xiàn)有裂隙帶的研究方法主要包括理論計算、現(xiàn)場觀測與數(shù)值模擬[3]，數(shù)值模擬具有極為明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在處理速度、可操作性、仿真能力等方面，上覆巖層運移過程的數(shù)值模擬可以對不同頂板條件下覆巖運動進行簡便化研究，極大程度減少研究成本。本文基于數(shù)值模擬方法，采用UDEC分析軟件對1307工作面開采后上覆巖層破壞范圍進行分析，主要研究采場范圍內(nèi)應(yīng)力分布與塑性區(qū)變化，最終得出深部工作面開采后上覆冒落帶與裂隙帶的發(fā)育情況。

1 工作面概況

某礦主井、副井、風(fēng)井深度均超過千米，第一水平已接近960 m，屬于典型深部礦井。3煤層1307工作面是1采區(qū)的第7個工作面，上區(qū)段前工作面為條帶開采，采120 m，留100 m。1307工作面位于西部回風(fēng)大巷以北，上區(qū)段100 m處為1306采空區(qū)。工作面上方無可采煤層，下方6煤和16煤均未開采，但上述2層煤距離1307工作面最近為77 m。工作面整體上為單斜構(gòu)造，煤層分布呈北高南低，工作面埋深為750～950 m，直接頂、底板均為泥巖，抗壓強度為20 MPa左右，工作面頂?shù)装鍘r性及特征見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性及特征

2 覆巖破壞形態(tài)數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬方法及力學(xué)本構(gòu)模型的選取

UDEC數(shù)值分析軟件運用離散元計算方法[4]，該方法在單元體接觸面的分析與研究層面加入了非連續(xù)的力學(xué)計算程序，使得UDEC數(shù)值分析軟件在材料模型特征分析上具有了更為豐富的優(yōu)點。在巖石研究方面，UDEC數(shù)值分析軟件充分考慮了巖石內(nèi)部存在的各類裂隙情況，包括巖石內(nèi)部的原生與次生裂隙。該軟件在煤礦領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，尤其是采煤工作面上覆巖層運移過程的研究方面，因此，本文選擇UDEC作為數(shù)值模擬計算軟件。

在對工作面上覆巖層進行力學(xué)模擬分析研究時，首先將工作面實際情況進行簡化，構(gòu)建有利于系統(tǒng)研究的力學(xué)模型。根據(jù)1307工作面實際開采條件，采用平面應(yīng)變模型較為合適[5]，最終選擇二維彈塑性平面模型開展數(shù)值模擬研究。

2.2 數(shù)值計算模型建立

1307工作面為條帶開采工作面，為了簡化研究，考慮到邊界效應(yīng)影響[6-7]，設(shè)置數(shù)值模型長500 m，高90 m，計算模型X方向設(shè)置位移為0，Y方向下部設(shè)置位移為0，Y方向上部設(shè)置為自由邊界，按照工作面實際平均埋深施加上覆巖層荷載[8-9]，巖層計算模型如圖1所示。

圖1 巖層計算模型

巖石材料屬于彈塑性范疇[10]，嚴格來說可以歸類為脆性材料，在所受荷載達到材料屈服強度時，該材料會發(fā)生破裂。該類材料的性質(zhì)符合莫爾-庫侖典型準則，該準則在數(shù)值模擬計算中主要考慮的力學(xué)參數(shù)包括巖石材料的彈性模量、密度、黏聚力、泊松比、抗拉強度以及內(nèi)摩擦角，相關(guān)力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 工作面巖層力學(xué)參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.3.1 工作面開采后應(yīng)力分布分析

工作面開采結(jié)束形成采空區(qū)后圍巖應(yīng)力分布情況見圖2。可以看出：

(1)1307上方不同覆巖的應(yīng)力分布情況并不相同，而且存在較大差異，主要體現(xiàn)在不同強度下的巖石應(yīng)力集中情況不同，在強度較高的砂巖中應(yīng)力集中情況較為明顯，而在強度較低的巖石中應(yīng)力集中情況較不明顯，如砂質(zhì)泥巖、泥巖中應(yīng)力集中較低，而且還可以發(fā)現(xiàn)在不同強度巖層交界面處，應(yīng)力集中情況最為明顯。

圖2 工作面開采后應(yīng)力分布云圖

(2)最大主應(yīng)力分布在1307采空區(qū)Y向上部分，形成了壓應(yīng)力區(qū)域、拉壓應(yīng)力交變區(qū)域和拉應(yīng)力區(qū)域。

(3)最大主應(yīng)力中壓應(yīng)力達到33.4 MPa，拉應(yīng)力達到97.33 MPa，壓應(yīng)力主要發(fā)生在垮落帶位置，在采空區(qū)位置出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力下降，伴隨而來的是頂板的下沉與上覆巖層的裂隙。最小主應(yīng)力中壓應(yīng)力達到15.61 MPa，拉應(yīng)力達到0.166 MPa，可見在最小主應(yīng)力方向上拉應(yīng)力相對最大主應(yīng)力方向出現(xiàn)了上升，而壓應(yīng)力相對出現(xiàn)下降，主要由于長壁開采工作面開采后出現(xiàn)了應(yīng)力重分布。

(4)垂直應(yīng)力主要在工作面兩側(cè)煤壁頂?shù)装鍘r層中出現(xiàn)了應(yīng)力集中，在兩側(cè)煤壁內(nèi)應(yīng)力集中情況明顯，煤柱頂板砂巖應(yīng)力集中系數(shù)也較大。

(5)水平應(yīng)力主要在1307工作面兩側(cè)煤壁頂板和采空區(qū)Y方向最上層巖層，在細砂巖的底部出現(xiàn)了應(yīng)力集中。

根據(jù)應(yīng)力分布狀態(tài)的分析研究，冒落帶高度可以認為是Y方向垂直位移突變高度，主要是指應(yīng)力分布線密集處。導(dǎo)水裂隙帶高度[11]可以認為是上覆巖層受拉載荷超過巖層的抗拉強度而產(chǎn)生裂隙的區(qū)域高度。

2.3.2 工作面開采后變形分析

圖3為模型變形，圖4為巖層裂隙擴展圖?？芍瑔卧l(fā)生拉破壞，在實際工作面回采過程中，上覆巖層中所產(chǎn)生的裂隙在重構(gòu)應(yīng)力場作用下壓實，但巖石材料的剛度在理論上可以認為具有較大值，所以上述裂隙并不能完全產(chǎn)生閉合，因此，將已經(jīng)出現(xiàn)過裂隙的上覆巖層看作是導(dǎo)水裂隙帶。

圖3 模型變形

圖4 巖層裂隙擴展圖

圖5為工作面上覆巖層塑性區(qū)域分布示意，可以看出，受拉壓應(yīng)力分布的影響，存在拉破壞區(qū)與拉壓破壞區(qū)，根據(jù)巖石受力特征及破壞形式，可以判別其中拉破壞區(qū)為冒落帶，高約14.6 m，拉壓破壞區(qū)為裂隙帶，高約48.1 m。

圖5 塑性區(qū)域分布

煤層采全高時巖層垂直位移變化情況見圖6?？梢钥闯?，在1307工作面回采后形成的采空區(qū)上方區(qū)域出現(xiàn)了較為明顯的垂直位移變化，最大位移變化量約4.1 m，主要分布在采空區(qū)上方14.6 m區(qū)域內(nèi)，工作面周圍處于原巖狀態(tài)，遠場區(qū)域受工作面回采影響較小。還可以看出工作面上覆巖層位移變化梯度較大，甚至出現(xiàn)了明顯的位移突變區(qū)域，將突變區(qū)域確定為裂隙帶與冒落帶分界區(qū)。

圖6 垂直位移云圖

2.3.3 “兩帶”分析結(jié)果

根據(jù)模擬結(jié)果分析，以上覆巖層拉壓應(yīng)力變化界限及位移突變區(qū)域來確定裂隙帶與冒落帶分界區(qū)。1307工作面回采后上覆冒落帶及導(dǎo)水裂隙帶高度模擬結(jié)果見表3。

依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中關(guān)于工作面開采后上覆巖層冒落帶與導(dǎo)水裂縫帶高度的計算方法可以求得1307工作面回采后上覆巖層冒落帶高度為8.5～14.9 m，工作面上覆巖層導(dǎo)水裂隙帶高度為35.1～49.2 m。計算結(jié)果與UDEC數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，因此，可以確定該模擬分析方法是有效的。

表3 1307工作面冒落帶及導(dǎo)水裂隙帶高度模擬結(jié)果

3 結(jié) 論

根據(jù)1307工作面開采特點，結(jié)合典型數(shù)值模擬研究經(jīng)驗，選擇二維彈塑性平面模型，并采用離散元計算軟件UDEC模擬分析，上覆巖層內(nèi)應(yīng)力分布在Y方向上有規(guī)律性，并產(chǎn)生了壓應(yīng)力區(qū)域、拉壓應(yīng)力交變區(qū)域和拉應(yīng)力區(qū)域，而且還進一步發(fā)現(xiàn)不同強度巖層出現(xiàn)了不同程度的應(yīng)力集中；通過塑性區(qū)分布、巖層裂隙擴展規(guī)律得到1307工作面開采后覆巖導(dǎo)水裂縫發(fā)育高度為48.1 m，通過垂向位移規(guī)律得到1307工作面開采后冒落帶高度為14.6 m，模擬結(jié)果與規(guī)程計算結(jié)果基本吻合，說明運用UDEC數(shù)值模擬方法預(yù)測覆巖導(dǎo)水裂隙帶高度是可行的，為相似工作面上覆裂隙帶與冒落帶發(fā)育高度預(yù)測提供了較為有效的研究方法。

[1] 靳軍成.煤炭行業(yè)發(fā)展趨勢探析[J].中國煤炭工業(yè),2014(1)：53-54.

[2] 黃 鈴,王 軍,吳德義.巨厚砂巖頂板“三帶”范圍的數(shù)值模擬與界定[J].安徽建筑大學(xué)學(xué)報,2015,23(2):39-42.

[3] 張發(fā)旺,侯新偉,韓占濤,等.采煤塌陷對土壤質(zhì)量的影響效應(yīng)及保護技術(shù)[J].地理與地理信息科學(xué),2003,19(3):67-70.

[4] 吳亞州.采動影響下采空區(qū)頂板移動規(guī)律及仿真模擬探究[D].淮南：安徽理工大學(xué),2015.

[5] 劉志剛,李錦秀,張貴銀.深部沖擊危險性特厚煤層開采技術(shù)研究[J].煤炭技術(shù),2015,34(10):26-28.

[6] 杜蜀賓.濟寧太平煤礦建筑物下條帶開采與充填開采比較研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué),2007.

[7] 吳瑞葉,郜普濤,劉冰晶.3上509大采高工作面覆巖導(dǎo)水裂縫帶數(shù)值模擬研究及應(yīng)用[J].科技信息,2012(10):380-381.

[8] 馬少杰.煤層開采覆巖破壞數(shù)值模擬研究[J].煤礦安全,2012,43(12):54-56.

[9] 馬德鵬,欒元重,馬少杰.覆巖導(dǎo)水斷裂帶發(fā)育規(guī)律離散元模擬[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2010,37(5):16-18.

[10] 楊偉峰.薄基巖條件下條帶開采模擬方法研究[J].采礦技術(shù),2006(3):244-246.

[11] 陳 輝.淺埋煤層協(xié)調(diào)開采控制導(dǎo)水裂隙帶高度模型研究[D].西安：西安科技大學(xué),2014.

*江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目(編號：KYLX16_0556)。

2016-10-15)

姜京福(1984—)，男，副礦長，工程師，272400 山東省濟寧市嘉祥縣疃里鎮(zhèn)。