文家坡礦煤層頂板離層動態(tài)發(fā)育特征UDEC數(shù)值模擬研究

王磊，王樹明，陳星，翟恒玉，張鵬

(陜西彬長文家坡礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽市 713500)

0 引言

高延法在傳統(tǒng)的“三帶”理論基礎(chǔ)上提出巖移“四帶”模型，將覆巖破壞后的力學(xué)結(jié)構(gòu)特征劃分為破裂帶、離層帶、彎曲帶和松散沖積層帶，其中煤層頂板離層帶的形成常常伴隨著工作面離層水害的形成，嚴(yán)重的甚至造成頂板離層水涌、突水災(zāi)害。礦山對煤層頂板離層水害的研究越來越重視，目前常用的方法有經(jīng)驗公式法、相似材料模擬法、現(xiàn)場實(shí)測法和數(shù)值模擬法等。

文家坡井田地質(zhì)條件下，煤層回采過程中由于洛河-宜君組地層厚度大、強(qiáng)度高，加之回采過程中易形成砌體梁結(jié)構(gòu)而存在水平作用力，使得其整體結(jié)構(gòu)變形量較小，在煤層回采過程中與下部侏羅系軟弱地層之間易形成離層空間，且隨著工作面的逐漸推采而周期性破斷。本文采用離散元計算機(jī)數(shù)值模擬方法，研究離層形成的動態(tài)發(fā)育過程，為離層水害形成機(jī)理提供理論依據(jù)。

1 彬長礦區(qū)地質(zhì)概況

陜西彬長文家坡礦業(yè)公司礦井井田位于黃隴煤田彬長礦區(qū)，井田面積為79.69 km2，井田資源量為7.29億t，設(shè)計可采儲量為3.47億t，核定生產(chǎn)能力400萬t/a，服務(wù)年限61.2a，屬于弱沖擊地壓礦井。礦井首采區(qū)4煤層采用走向長壁綜合機(jī)械化放頂煤開采，全部垮落法管理工作面頂板。4煤煤層頂?shù)装孱愋蜑閷訝顜r類、工程地質(zhì)條件為中等類型，直接頂板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主。煤層頂板覆巖表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)性“下軟-上硬”的地層覆巖結(jié)構(gòu)特征，上部洛河組硬巖富水性中等，是影響煤礦回采的主要含水層段，下部軟弱的侏羅系地層含水層富水性弱。

根據(jù)勘探結(jié)果，文家坡井田的土層組分為流砂-淤泥層組、砂卵礫層組、黃土層組和黏土層組 4個土層組；巖石組分為礫巖巖組、砂巖巖組、泥巖巖組和煤巖組4個工程地質(zhì)巖組。其洛河組含水層是彬長礦區(qū)范圍內(nèi)主要充水含水層，地層厚度大，富水性相對較好，煤層回采過程中若導(dǎo)水裂縫帶波及到該含水層將造成工作面涌水強(qiáng)度增大，水害明顯。首采區(qū)范圍內(nèi)洛河組含水層厚度由南向北逐漸增大，變化范圍為240～300 m。整體而言，洛河組含水層厚度在首采區(qū)區(qū)域內(nèi)變化幅度相對較小，地層發(fā)育較為穩(wěn)定。

2 離層空間動態(tài)變化數(shù)值模擬

煤層頂板覆巖破壞過程中若地層發(fā)生不協(xié)同變形，在不同層位之間會形成離層空間，離層形成、發(fā)展和破裂伴隨著頂板覆巖破斷。若離層空間發(fā)育時間長、空間規(guī)模大、有水源補(bǔ)給，在離層破斷過程中離層空間大量積水集中涌出，威脅工作面安全。開采過程中煤層回采造成頂板巖層垮落，發(fā)生明顯的地層破斷和位移，從而形成離層空間。因此，用離散元程序進(jìn)行離層空間數(shù)值模擬計算較為合理，可以科學(xué)合理的模擬離層的形成、發(fā)展和破裂的過程。本文采用離散元數(shù)值模擬軟件，研究煤層頂板巖層中形成離層的可能性以及離層形成、發(fā)育和破斷過程，為離層突水機(jī)理研究提供依據(jù)。

2.1 模擬軟件及原理

UDEC模擬軟件基于二維離散元算法，可在二維空間描述離散介質(zhì)的力學(xué)行為，通過模擬離散塊體集合來表示非連續(xù)介質(zhì)。軟件主要模擬靜態(tài)、動態(tài)加載條件下非連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)行為特點(diǎn)。非連續(xù)介質(zhì)反映于離散塊體的組合，節(jié)理則被當(dāng)作塊體之間的邊界條件，它允許塊體沿節(jié)理面進(jìn)行運(yùn)動及回轉(zhuǎn)，單個塊體可以是剛性或是塑性。利用FISH語言編寫程序可開發(fā)具有特殊功能的UDEC程序，使其不僅能模擬巖體的復(fù)雜力學(xué)行為，也可以動態(tài)分析施工過程，并對工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為進(jìn)行預(yù)測和預(yù)報，數(shù)值模擬力學(xué)分析結(jié)果可用于指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)。

2.2 模型建立與開挖

以文家坡煤礦 4014綜放工作面為原型，采用UDEC 數(shù)值模擬軟件，研究 4 煤層開采過程中工作面頂板的破斷規(guī)律，分析頂板覆巖離層發(fā)育過程，研究頂板離層形成機(jī)理及發(fā)育規(guī)律。

根據(jù)文家坡煤礦首采區(qū)地質(zhì)勘察資料建立數(shù)值模擬模型，在適當(dāng)簡化后建立UDEC 計算模型，模擬煤層采高、面寬、工作面接續(xù)以及洛河組含水層水壓對覆巖采動裂隙發(fā)育演化的影響。模型尺寸為：1000 m×550 m（寬×高），煤層厚度為10 m，模型左邊界、右邊界、下邊界采用位移固定，模型上方覆巖自重通過加載方式實(shí)現(xiàn)，將載荷的布置形式設(shè)置為均布載荷，模型左右邊界施加圍壓，模擬采煤工作面實(shí)際受力情況。

巖體本構(gòu)方程采用彈塑性本構(gòu)模型，巖體屈服準(zhǔn)則為摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，煤巖塊體選為應(yīng)變軟化模型；模型中巖層層理、虛擬節(jié)理等節(jié)理選擇為面接觸-庫倫滑移節(jié)理模型，煤層的開采垂直節(jié)理設(shè)置為虛擬節(jié)理。模型如圖1所示，初始應(yīng)力平衡如圖2所示。

圖1 模型網(wǎng)格劃分

圖2 初始應(yīng)力平衡

2.3 模擬計算結(jié)果及分析

以文家坡煤礦首采區(qū) 4104綜放開采工作面參數(shù)為基礎(chǔ)，模擬綜放開采條件下頂板覆巖離層動態(tài)發(fā)育特征；以4 m為開采步距，開采高度為10 m，分別得出沿走向不同推進(jìn)深度頂板覆巖應(yīng)力分布特征，如圖3所示。

圖3 綜放工作面走向推進(jìn)應(yīng)力分布特征

圖3為工作面綜放采高10 m 條件下應(yīng)力分布情況。工作面煤層開采后，煤層頂板覆巖原有應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，煤層上方頂板一定范圍內(nèi)顯現(xiàn)垂直應(yīng)力集中區(qū)，采空區(qū)形成卸壓區(qū)和壓實(shí)區(qū)，壓實(shí)區(qū)只有當(dāng)工作面推進(jìn)一定距離后才產(chǎn)生。隨著采高的增大，支撐應(yīng)力峰值逐漸增大，同時可以看到，綜放開采工作面采空區(qū)不易于充滿，覆巖擾動范圍大，支撐應(yīng)力增加相對較快。結(jié)合覆巖運(yùn)動和應(yīng)力分布特征，進(jìn)一步分析頂板覆巖離層動態(tài)發(fā)育特征，如圖4所示。

圖4 綜放工作面走向推進(jìn)裂隙分布

圖4為采高10 m 條件下綜放開采工作面不同推進(jìn)距離時覆巖采動裂隙分布情況。當(dāng)工作面推采20 m 時，直接頂泥巖頂部出現(xiàn)較大離層，離層發(fā)育高度距煤層頂板11 m。當(dāng)工作面推采40 m 時，采空區(qū)中部基本頂出現(xiàn)較大離層，中部存在少量縱向破斷裂隙，直接頂泥巖發(fā)生初次垮落，垮落高度距煤層頂板25 m，隨著工作面繼續(xù)推采，直接頂泥巖隨采隨落。當(dāng)工作面推采至60 m 時，基本頂發(fā)生初次垮落，即工作面初次來壓，此時垮落高度距煤層頂板38 m，裂隙帶高度121 m。

隨著工作面推采距離增加、采動面積不斷擴(kuò)大，老頂發(fā)生周期性來壓、垮落，周期來壓垮落步距平均為20 m，覆巖垮落高度及裂隙帶發(fā)育高度也隨之發(fā)生變化。當(dāng)工作面推采至180 m 時，離層裂隙發(fā)育至煤層頂板246 m，此時裂隙帶高度達(dá)到最大并趨于穩(wěn)定，裂隙帶高度不再隨著工作面推采而變化，但采高的增大會使得導(dǎo)水裂隙帶高度增加，覆巖破壞范圍加大。從整個覆巖采動裂隙演化過程可知，覆巖采動離層裂隙不斷的向上演化，同時隨著走向的推進(jìn)，離層裂隙將會產(chǎn)生閉合和張開，其中離層裂隙最高為254 m，當(dāng)工作面推采至200 m時，離層空間高度最大為2.2 m。

3 結(jié)論

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，文家坡煤礦首采區(qū)煤層回采后會形成離層空間，上覆白堊系地層變形量相對較小，隨著工作面推采，離層空間逐漸向上發(fā)展，且在安定組頂部發(fā)育穩(wěn)定并逐漸破裂，再次形成新的離層空間。工作面推采過程中離層空間周期性形成與破裂，最終導(dǎo)致安定組頂部形成較穩(wěn)定充水離層的空間、變化過程，得出如下結(jié)論：

（1）隨著煤層逐步回采，頂部離層逐漸形成，并在壓力拱的作用下逐漸向上發(fā)育，中間部分離層逐漸形成之后在采空區(qū)壓實(shí)區(qū)有所閉合，最終在安定組頂部形成較為穩(wěn)定的離層空間。

（2）由于宜君組地層裂隙發(fā)育與安定組的彌合作用，安定組頂部離層空間為局部封閉型離層，在一定程度上形成補(bǔ)給而造成離層積水；

（3）數(shù)值模擬結(jié)果表明，工作面煤層采厚10 m條件下最大離層變形可達(dá)到 2.2 m；在煤層采厚較大時離層空間發(fā)育更為明顯，在下部安定組地層彌合條件下離層積水量更大。