復(fù)雜煤層開采工作面礦壓數(shù)值模擬

陳彥好 喬藝騫

摘 要： 隨著煤炭資源的不斷開發(fā)，淺層長(zhǎng)壁煤炭被不斷采出，特別是在東部地區(qū)，不斷向深部煤層以及復(fù)雜煤層發(fā)展，然而復(fù)雜煤層的開采條件更加復(fù)雜、惡劣，所以，對(duì)復(fù)雜煤層開采的研究勢(shì)在必行。為了更清楚的了解復(fù)雜煤層開采工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，本文將采用離散元UDEC3.10軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，通過分析得到復(fù)雜煤層開采條件下的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

關(guān)鍵詞： 復(fù)雜煤層；礦山壓力；數(shù)值模擬；UDEC軟件

1UDEC3.10軟件介紹

UDEC（Universal Discrete Element Code）是針對(duì)非連續(xù)介質(zhì)開發(fā)的平面離散元程序，在數(shù)學(xué)求解方式上采用了與FLAC一致的有限差分方法，力學(xué)上則增加了對(duì)接觸面的非連續(xù)力學(xué)行為的模擬，因此，UDEC被普遍用來研究非連續(xù)面（與地質(zhì)結(jié)構(gòu)面）占主導(dǎo)地位的工程問題。

2模型建立

根據(jù)宋振騏院士提出的以巖層運(yùn)動(dòng)為中心的礦壓傳遞巖梁理論建立數(shù)值模擬模型。根據(jù)采場(chǎng)上覆巖層運(yùn)動(dòng)對(duì)采場(chǎng)產(chǎn)生直接影響的程度，可以認(rèn)為6.6m砂質(zhì)頁巖老頂及其以下范圍的巖層是對(duì)采場(chǎng)產(chǎn)生直接影響的巖層，而該老頂之上巖層則視為作用到其上的載荷，所以模型的建立只考慮老頂、直接頂、煤層和底板的結(jié)構(gòu)關(guān)系。

工作面巖性特征如表3-1所示。

為了模擬復(fù)雜煤層開采過程的圍巖運(yùn)動(dòng)及應(yīng)力演化規(guī)律，采用適合非連續(xù)介質(zhì)的離散元軟件UDEC進(jìn)行模擬。建立模型范圍為：走向100m×巖層高度22.4m，依據(jù)表3-1賦予各巖層相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取相關(guān)節(jié)理、裂隙的物理力學(xué)參數(shù)，模擬中模型深度為600m，所建立模型在上邊界施加600m埋深所產(chǎn)生的壓力，左右邊界和下邊界固定。建立模型如圖1所示。

3模擬過程

建立模型后，按照以下過程進(jìn)行模擬：原巖應(yīng)力平衡→工作面初次來壓→工作面周期來壓1→工作面周期來壓2→工作面周期來壓3。

4模擬結(jié)果

通過對(duì)上覆巖層的下沉量進(jìn)行分析可以看出，隨著工作面的不斷推進(jìn)，直接頂和老頂均在距離工作面10m～15m左右出現(xiàn)離層，這說明直接頂?shù)南鲁了俣纫笥诶享數(shù)南鲁了俣?，相?duì)于直接頂來說，老頂?shù)南鲁潦蔷徛摹?/p>

采場(chǎng)上覆巖層位移：

通過對(duì)上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，可以看出：

1、在靠近煤壁處和直接頂懸頂與老塘區(qū)接界處應(yīng)力都為壓應(yīng)力，越靠近煤層應(yīng)力值越大，遠(yuǎn)離煤層處應(yīng)力變?。徊煽諈^(qū)周圍受到的應(yīng)力較小，煤壁內(nèi)側(cè)周圍受到的應(yīng)力最大；采深越大，靠近煤壁處應(yīng)力值越大。

2、水平方向應(yīng)力越靠近煤壁應(yīng)力值越大，且為壓應(yīng)力，遠(yuǎn)離煤壁的頂?shù)装逅綁簯?yīng)力值變小，達(dá)到一定距離后拉應(yīng)力出現(xiàn)；直接頂和老頂上都有水平拉應(yīng)力出現(xiàn)，且以拉應(yīng)力為主。

3、隨著工作面的推進(jìn)煤層覆巖的最大下沉量基本一致，但是在距離工作面距離較近的直接頂和老頂之間已經(jīng)出現(xiàn)了離層，這說明直接頂與老頂之間的下沉速度是不一致的，相對(duì)于直接頂來說，老頂?shù)南鲁了俣仁蔷徛摹?/p>