三元福達煤礦15號煤層上覆巖層裂隙帶分布范圍的UDEC模擬研究

郝振寧

(山西三元福達煤業(yè)有限公司，山西 長治 046300)

煤層被開采出以后，圍巖的原巖應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，失去平衡，頂?shù)装鍘r層特別是頂板巖層發(fā)生移動、變形乃至破壞，直至垮落。隨著開采面積的不斷擴大，巖層的移動從采空區(qū)頂板一直發(fā)展到地表。當(dāng)頂板上覆巖層破裂垮落后，充填了采空區(qū)，使上覆巖層又得到了支撐?？迓鋷r石逐漸被壓實，導(dǎo)致上層的巖石僅發(fā)生彎曲，并產(chǎn)生裂隙，再往上裂隙更少，僅發(fā)生彎曲，形成“豎三帶”，即垮落帶，裂隙帶及彎曲下沉帶，本文針對三元福達煤礦15號煤層上覆巖層開采中的裂隙帶分布范圍，通過采用UDEC軟件進行構(gòu)建模型，模擬分析，得到對應(yīng)的分布范圍。

1 地質(zhì)概況

山西三元福達煤業(yè)有限公司井田位于山西省武鄉(xiāng)縣東北部的墨鐙鄉(xiāng)以北1 km處的墨鐙村與常青村一帶，行政區(qū)劃屬墨鐙鄉(xiāng)管轄。批準(zhǔn)開采7～15號煤層，生產(chǎn)規(guī)模為120萬t/a。井田內(nèi)煤層賦存深度不大，煤層傾角平緩，賦存穩(wěn)定，儲量豐富，煤層厚度大，煤質(zhì)較好，開采條件優(yōu)越。主要開采8號、9號、15號煤層，平均煤層總厚7.54 m，可采系數(shù)為4.20%.

其中15號煤層位于太原組底部，上距9號煤層47.10～59.62 m，平均54.69 m，煤層厚3.70～4.97 m，平均4.49 m，一般含1～4層泥巖及炭質(zhì)泥巖夾矸，結(jié)構(gòu)簡單-復(fù)雜，煤層厚度變異系數(shù)為8.90%，可采性指數(shù)為1。全井田穩(wěn)定可采，為一型，煤層頂板多為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖、泥巖、鋁土質(zhì)泥巖。

2 模型的建立及分析

UDEC數(shù)值軟件是主要通過離散單元法理論進行模擬計算的一種軟件，在工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，針對連續(xù)介質(zhì)、非連續(xù)介質(zhì)均有著良好的分析能力。相對于傳統(tǒng)數(shù)值模軟件FLAC3D，對于固態(tài)介質(zhì)在外部影響下的動態(tài)響應(yīng)和變形機理有著本質(zhì)的優(yōu)勢，針對本文主要研究的礦井覆巖層裂隙變，可以直觀地分析出介質(zhì)變形和漸進破壞的具體過程。

由于三元福達煤礦15號煤層傾角較小，在UDEC模擬時將計算模型設(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為Y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，根據(jù)煤層地質(zhì)情況選定煤層底板向下取25 m，煤層頂板向上取71 m，根據(jù)以上數(shù)據(jù)建立對應(yīng)的原始平面應(yīng)力計算模型。根據(jù)15號煤層各邊界情況，構(gòu)建計算模型邊界，模型左右邊界構(gòu)建為實體煤巖體，上邊界構(gòu)建為應(yīng)力邊界，下邊界構(gòu)建為底板邊界，并簡化為位移邊界條件，對應(yīng)方向邊界限制同方向位移。

上邊應(yīng)力邊界載荷設(shè)置為均布載荷，采用摩爾-庫倫模型作為巖體計算模型，采用節(jié)理面接觸-庫倫滑移模型作為節(jié)理計算模型，設(shè)置煤巖層節(jié)理為水平和垂直兩組節(jié)理，隨后根據(jù)各巖層物理力學(xué)參數(shù)，在計算模型上添加初始應(yīng)力和邊界條件，并運行至平衡狀態(tài)。15號煤層及頂?shù)装甯鲙r層力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 15號煤層及頂?shù)装甯鲙r層力學(xué)參數(shù)

根據(jù)工作面回采情況，選取工作面開挖長度45 m，構(gòu)建模型圖如圖1 、圖2所示。

圖1 模型回采200 m后達到平衡狀態(tài)

圖2 圍巖收斂變化圖

通過模型建立及相關(guān)參數(shù)設(shè)置，設(shè)置對應(yīng)的邊界條件，上層應(yīng)力邊界設(shè)定為均勻載荷，大小為上部至地面巖層重力之和，底板邊界為固定位移邊界，左右兩側(cè)邊界設(shè)定為半無限邊界，邊界范圍測定設(shè)置為45 m。得到相應(yīng)的計算模型如圖3所示。

圖3 UDEC模型圖

在確定計算模型后，對整體模型進行網(wǎng)格化處理，并根據(jù)具體參數(shù)運行整體模型，在平均不平衡力達到最大不平衡力的10 000倍時，可認定為達到平衡狀態(tài)，隨后在平衡狀態(tài)下，對模型進行回采模擬，開挖長度設(shè)置為45 m，通過模擬軟件計算回采各階段過程，直到再次達到平衡狀態(tài)，以觀察上覆巖層裂隙帶分布范圍。

回采后在平衡狀態(tài)工作面頂板屈服破壞圖如圖4所示，通過圖4可知，工作面開挖之后，工作面主要上覆巖層在Y=71 m的位置以下產(chǎn)生屈服破壞，其余上覆巖層產(chǎn)生了拉伸破壞，整體上覆巖層在X=80 m處達到破壞最大值，垂直位移量達到最大。

圖4 屈服破壞圖

圖5與圖6分別為巖層水平應(yīng)力等值線分布圖與水平位移分布圖。通過圖5和圖6可知，上覆巖層在回采過程中的應(yīng)力破壞規(guī)律，得到裂隙發(fā)育隨開采活動的發(fā)展變化情況。在回采之前，工作面整體覆巖巖層未受采動影響，水平方向處在應(yīng)力為零的狀態(tài)，在工作面回采后，工作面整體上覆巖層主要受到垂直應(yīng)力破壞，水平應(yīng)力自上到下表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，由圖5可知，垂直應(yīng)力是工作面回采后上覆巖層破壞的主要應(yīng)力，水平應(yīng)力為破壞的特征應(yīng)力。在回采后，偽頂與直接頂巖體完全垮落，基本頂巖層呈現(xiàn)彎曲下沉趨勢，在上覆巖層35.90～71.00 m高度處，產(chǎn)生應(yīng)力破壞，形成了裂隙帶分布范圍。

圖5 應(yīng)力分布圖

圖6 水平位移分布圖

3 結(jié) 語

通過應(yīng)用UDEC 3.0對三元福達煤礦15號煤層工作面上覆巖層裂隙發(fā)育過程進行數(shù)值模擬，可以清楚地看到，工作面上覆巖層在采動影響下的應(yīng)力破壞規(guī)律，并得到工作面上覆巖層的裂隙帶發(fā)育過程和分布范圍，最終確定裂隙帶的高度范圍為35.90～71.00 m，確立了煤壁支撐影響區(qū)域。