基于離散元方法的煤層覆巖導水裂縫帶影響因素研究

王詩海 時鵬程 馮宜語

（1.棗礦礦業(yè)集團高莊煤業(yè)有限公司，山東 微山 277600；2.棗莊科技職業(yè)學院，山東 滕州 277500）

1 引言

高莊井田所處地面大部分為微山湖水域，地表水體成為威脅礦井淺部煤層安全開采的主要隱患，不僅要控制上覆巖層的破斷下沉及地表塌陷，同時還要預防采煤工作面遭水體侵擾。為保證在礦井安全的前提下，最大限度的采出水體下壓覆的優(yōu)質(zhì)煤炭資源，需要開展對水體下煤層覆巖破壞和導水裂縫帶發(fā)育規(guī)律方面的研究工作[1-2]。由于數(shù)值模擬方法對研究覆巖破壞具有特殊的優(yōu)越性，故本研究采用UDEC數(shù)值模擬軟件通過建立多種地質(zhì)模型，模擬計算不同開采深度、不同開采厚度、不同巖性組合和斷層構造對煤層覆巖導水裂縫帶發(fā)育高度、范圍等方面的影響，獲得相應條件下導水裂縫帶發(fā)育的基本規(guī)律，進而為高莊礦湖下淺部工作面安全開采評價提供理論依據(jù)。

2 覆巖數(shù)值模擬方案

2.1 數(shù)值模擬軟件選取

UDEC數(shù)值軟件是一種用來處理不連續(xù)介質(zhì)的二維離散元程序。它用于模擬非連續(xù)介質(zhì)（如巖體中的節(jié)理裂隙等）承受靜、動載作用下的響應。其不僅有專門的變形塊體模型，還配備了相應的節(jié)理材料模型，能夠較好地適應不同巖性和不同開挖條件下的巖層運動。UDEC可以定量地分析任何一點的應力、應變、位移狀態(tài)，并可以對其進行全程監(jiān)測，所有的工作均可以直觀化的用圖像和數(shù)據(jù)表述，分析問題簡潔明了。因此，本研究利用UDEC軟件來研究煤層覆巖導水裂縫帶影響因素問題[3-6]。

2.2 地質(zhì)模型建立

以山東濟寧高莊礦3煤頂板上覆巖層結構建立基本地質(zhì)模型，考慮所有方案只有巖性組合裂高會有較大擴展，為了節(jié)省運算時間，且不研究松散層變形，模型建立到基巖風化帶。模型長300m，高81.7m。模擬開挖深度400m，模型上方按覆巖自重施加豎直方向上均布載荷，煤層傾角按水平處理，采厚為2m，兩邊留設50m邊界煤柱，開挖步距10m，分20次開挖，模型巖段的主要巖性為粉砂巖、中砂巖、細砂巖和煤，具體的地質(zhì)模型見圖1。

圖1 基本地質(zhì)模型建立

2.3 模型條件和巖石力學參數(shù)選定

由于模型在模擬開挖后塊體發(fā)生移動變形，上覆巖層塊體在上覆重力載荷的作用下發(fā)生拉剪破壞，巖體發(fā)生了一定的彈塑性圍巖變形。因此本構模型選用摩爾庫倫模型，模型中的所有不連續(xù)面（即接觸面）賦予不連續(xù)結構面庫倫滑動模型。底部和左右邊界均為固定邊界條件，模型上邊界設置為自由邊界，加載來自上覆松散層的垂直均勻荷載。為消除模型邊界的影響，模型左右各留設50m邊界。各種巖層物理力學參數(shù)如表1所示。

3 不同影響因素數(shù)值模擬結果分析

3.1 開采深度

為了研究煤層覆巖導水裂縫帶發(fā)育規(guī)律隨開采深度增加其覆巖破壞情況，本次模擬保證其他開采條件相同的情況下，擬定開采厚度2m條件下開采深度分別為400m、500m、600m和800m，綜合分析覆巖擾動破壞情況，如下圖2所示。

由圖2可知，當煤層開采達到充分采動以后，模擬采深400m、500m、600m條件下導水裂縫帶發(fā)育高度分別為：27.2m、30.6m、33.1m?？梢钥闯龈矌r導水裂縫帶發(fā)育高度隨開采深度增加有增長趨勢；當采深800m條件下獲得導水裂縫帶發(fā)育高度為33.3m，相對采深600m而言破裂高度略有增長，說明當采深達到一定時，開采深度對其影響較小。

表1 巖層的物理力學參數(shù)

圖2 不同采深條件下導水裂縫帶發(fā)育情況

3.2 開采厚度

為了研究煤層覆巖導水裂縫帶發(fā)育規(guī)律隨開采厚度增加其覆巖破壞情況，本次模擬保證其他開采條件相同的情況下，擬定開采深度400m條件下開采厚度分別為2m、3m、4m和5m，綜合分析覆巖擾動破壞情況，詳見下圖3。

圖3 不同采厚條件下導水裂縫帶發(fā)育情況

根據(jù)圖3看出，模擬采深400m不同采厚條件下導水裂縫帶發(fā)育高度分別為27.2m、34.5m、41.3m和46.6m。隨著開采厚度的增加，導水裂縫帶發(fā)育高度近似線性增加，開采厚度越大，提供給覆巖垮落的空間也越大，頂板覆巖破壞的范圍就越大。在模擬覆巖破壞情況時發(fā)現(xiàn)，隨著采空區(qū)范圍的不斷擴大，導水裂縫帶逐漸發(fā)育到最大高度，形態(tài)在縱向上不再擴展，但在橫向范圍繼續(xù)擴大。對比高莊礦3上509工作面（煤厚5.2m）采動后實測最大導水裂縫帶高度為49.35m[4]，與數(shù)值模擬結果相比誤差較小，說明對相同地質(zhì)條件下工作面覆巖破壞規(guī)律研究有一定參考價值。

3.3 覆巖巖性組合

為了研究煤層覆巖對導水裂縫帶發(fā)育規(guī)律的影響，本次模擬保證其他開采條件相同的情況下，將煤層頂板巖性及其組合關系分為4種類型：軟巖-硬巖、硬巖-軟巖、軟巖-軟巖、硬巖-硬巖。煤層開采厚度2m條件下分析不同巖性組合下覆巖擾動破壞情況。

圖4 不同頂板組合條件下導水裂縫帶發(fā)育情況

根據(jù)圖4可以看出，煤層頂板覆巖的破壞發(fā)育高度與覆巖的巖性及力學結構特征有緊密的關系。脆性巖層容易產(chǎn)生裂縫，而塑性巖層則不易產(chǎn)生裂縫。因此，不同力學結構類型的頂板，其破壞最大高度是不同的。根據(jù)不同巖性組合模擬結果，導水裂縫帶發(fā)育高度由大到小分別為：堅硬-堅硬組合、軟弱-堅硬組合、堅硬-軟弱組合和軟弱-軟弱組合。

3.4 地質(zhì)構造

為了分析斷層與采空區(qū)的位置關系對覆巖導水裂縫帶發(fā)育規(guī)律的影響。本次模擬在保證其他開采條件相同的情況下，開采深度400m，采厚5m，斷層傾角60°，分別模擬工作面過斷層和工作面在斷層下盤開采情況下覆巖破壞情況[7]。如下圖5所示。

圖5 斷層影響條件下導水裂縫帶發(fā)育情況

根據(jù)圖5可以看出，當工作面過斷層條件下導水裂縫帶發(fā)育高度為48.2m，比無斷層情況下高2.2m。上限裂隙大多出現(xiàn)在斷層附近，順著斷層面向上發(fā)展，斷層破碎帶塑性破壞嚴重，當上方有水體時可作為導水通道。當工作面位于斷層下盤條件下時導水裂縫帶發(fā)育高度為56.7m，比無斷層影響條件下高10.1m。導水裂縫帶發(fā)育上限朝斷層方向縱向發(fā)展，形成一邊高一邊低兩端不對稱的“馬鞍型”覆巖破壞形態(tài)。

4 結論

利用UDEC離散元方法分析煤層覆巖破壞和導水裂縫帶發(fā)育規(guī)律具有可行性，通過對不同因素關于煤層導水裂縫帶發(fā)育高度的影響進行模擬計算分析，得出不同采深、采厚、頂板巖性組合、地質(zhì)構造（主要指斷層）等因素對導水裂縫帶高度發(fā)育規(guī)律影響較大，對高莊礦湖下開采提供理論支撐。