UDEC在急傾斜特厚煤層開采沉陷數值模擬中的應用

郭春穎，李云龍，劉軍柱

(中國地質工程集團公司，北京 100083)

煤礦開采引起的開采沉陷問題日益引起世人的關注，尤其是礦區鄰近城市周邊的開采沉陷盆地對城市的安全和發展構成了嚴重的威脅。而人們對傾角在45°以上的急傾斜煤層開采引起的巖層移動和地表塌陷規律的認識還不是很深入，筆者試圖通過UDEC數值計算軟件，以新疆烏魯木齊六道灣煤礦的開采沉陷問題為例，模擬研究急傾斜特厚煤層開采圍巖破壞運動規律和地表沉陷變形的規律，找出控制沉陷和巖層破壞的科學途徑。

1 六道灣礦區概況

六道灣煤礦位于烏魯木齊礦區、八道灣向斜南翼的西部,地處烏魯木齊市水磨溝區六道灣。

礦區位于博格達山西北麓與準噶爾盆地東南緣之間的山前丘陵地帶，地勢西南高，東北低，最高海拔+920m，最低海拔+760m，相對高差一般10～30m，最大50～100m。其中，西山窯組大槽煤侵蝕面在800m水平以下。

礦區地層為陸相沉積地層，主要為侏羅系及第四系地層，其中侏羅系分布最廣，第四系次之。侏羅系地層有下統的八道灣組和三工河組，中統的西山窯組及頭屯河組，上統的齊古組。西山窯組為區內主要含煤巖系。

開采煤層為侏羅系西山窯組，主要由泥巖、砂質泥巖和砂巖組成。煤層走向東翼約為北60°東，西翼為北64°-66°東，傾向322°～335°。煤層傾角60°～70°，一般65°。南部的B1～B6煤層形成了兩個組合特厚煤層，B1+2稱為“南大槽”，B3+4+5+6稱為“北大槽”。

2 UDEC數值模擬軟件簡介及其適用性簡析

通用離散元程序(UDEC，Universal Distinct Element Code)是一個處理不連續介質的二維離散元程序。UDEC用于模擬非連續介質(如巖體中的節理裂隙等)承受靜載或動載作用下的響應。非連續介質是通過離散的塊體集合體加以表示。不連續面處理為塊體間的邊界面，允許塊體沿不連續面發生較大位移和轉動。塊體可以是剛體或變形體。變形塊體被劃分成有限個單元網格，且每一單元根據給定的“應力-應變”準則，表現為線性或非線性特性。不連續面發生法向和切向的相對運動也由線性或非線性“力-位移”的關系控制。在UDEC中，為完整塊體和不連續面開發了幾種材料特性模型，用來模擬不連續地質界面可能顯現的典型特性。UDEC是基于“拉格朗日”算法很好地模擬塊體系統的變形和大位移。

從離散化的角度出發，巖體本質上是節理介質，煤層開采后的覆巖破碎、斷裂、離層等發育，可作為離散體來處理，且塊體間存在著力的聯系，因而離散元在礦山巖體力學和礦山壓力研究中得到較廣泛的應用，對模擬急傾斜煤層開采沉陷問題比較適用。

3 數值建模

3.1 計算范圍

理論分析和計算實踐表明，當由于結構或工程開挖釋放荷載作用于巖體某一部位時，對周圍巖體的應力及位移將有明顯影響的范圍大約是開挖或結構與巖體作用面的輪廓尺寸的2.5～3倍，在此范圍之外，影響甚微，可忽略不計。

考慮到離散誤差和計算誤差，為保證計算精度，計算范圍應取不小于3～4倍的范圍，結合本區域的地質結構條件和開采規模方式，綜合確定模型南邊界為南大槽露頭以南738m左右，北邊界為B33煤層露頭以北1481m左右，底板邊界為+510水平以下510m，煤層傾角取平均值65°，整個模型尺寸為長×高=3 000m×810m。模型位置選取研究區內煤層開采強度最大，塌陷程度最嚴重的剖面。

3.2 物理力學參數的選取

依據相關試驗數據和研究區地質賦存特點，充分考慮煤系地層多節理裂隙的特點和煤層與巖層的巖性差異較大的地質條件，對試驗得出的力學參數數據進行適度的折算處理，取巖塊力學性質的1/3左右強度值，綜合各方面因素，確定研究區地層巖性參數如表1所示。

表1 地層物性參數表

3.3 邊界和初始條件的確定

根據研究問題的需要，選擇的模型范圍受采動影響很小，模型邊界可以認為底部無水平和垂直位移，左右兩邊界無水平位移，即速度為零，巖體內部只存在天然自重應力，因研究區內地質構造較單一，不考慮小斷層和地質構造應力的作用。

4 模型運行結果分析

依據生產資料顯示的開采順序，確定模型的開挖順序，以期較真實的模擬礦區煤層開采引起的應力重分布和巖層移動規律，劃分650水平、540水平和510水平三個水平，本著先開采北大槽再開采南大槽的開采順序對模型進行開挖，下面分別列出模型運行成果，并做分析。

4.1 開采結束后的應力分布云圖

北大槽510水平煤層開采的豎直應力和水平應力分布云圖見圖1、圖2。隨著煤層開采強度的加大，開采深度的增加，巖體內的應力水平層狀分布規律進一步遭到破壞和擾動，采空區周圍形成明顯的泄壓區和支承壓力區，符合礦壓顯現規律。擾動破壞不斷發展直達到地表，圖1、圖2所示北大槽部分采空區(圖中標示采空塌陷區域)已被坍塌的巖石所充填壓密，形成二次應力場。

圖1 豎直應力分布云圖

圖2 水平應力分布云圖

4.2 北大槽頂板點的應力、應變變化曲線

由圖3到圖5的水平方向的應力變化曲線、應變變化曲線以及應力-應變變化曲線可以看出巖體由彈性變形階段進入塑性階段并最終破壞的全過程。

該點的水平應力經歷了兩次階越式突變，第一次在a點由2MPa的高壓應力突然泄壓至b點0.2Mpa的低應力區，表征巖體因煤層開采而應力釋放的過程，并持續到c點，此階段是巖體裂隙發育的過程，對應圖4中的a點位置，此后巖體產生較大的應變變形和應力增長的過程，表征此階段巖體發生破碎并再次壓實的頂板冒落現象。圖5顯示了巖體應力隨應變變化的特征曲線。

圖3 北大槽頂板點水平應力曲線

圖4 水平應變曲線

圖5 水平應力-應變曲線

垂直應力與水平應力相似，經歷了大致相同的變化過程。

4.3 頂板的巖移特點

由圖6所示，北大槽頂板產生大面積垮落，部分接觸底板，凹向下方，最大位移量19.473m，地表部分地段有局部隆起現象。

圖6 北大槽頂板豎向巖移圖

圖7 豎向應力等值線與位移矢量圖

由圖7可以看到北大槽頂板產生大面積冒頂垮落，垮落方向大致是巖層法線方向稍向下方一點，最大位移量55.81 m，底板的破壞程度明顯沒有頂板劇烈。圖7較清晰的顯示了巖體內部破壞運移的軌跡，北大槽頂板已經大面積垮落，凹向煤層底板，部分已完全垮落到底板上面。

4.4 地表變形及影響范圍

圖8顯示的是地表豎向移動矢量圖，由圖8可見在北大槽深部開采的地表投影附近形成了一個深達4.2 m的塌陷坑，形成的移動盆地范圍直徑約567 m。

圖8 地表豎向移動矢量圖

圖9顯示的是模型運行結果的塑性區圖和局部放大圖，由圖9中可以看出，510水平開采時的巖移邊界角β0最大可達28°，這與地表移動觀測資料得出的邊界角29°54′比較吻合，從現場裂縫的發展情況看，地表移動還沒有停止，裂縫有向北發展的趨勢。

圖9 塑性區圖

5 急斜特厚煤層開采沉陷特點小結

急斜特厚煤層開采沉陷的特點是圍巖破壞主要向煤層上方發展，底板側的破壞相比則明顯小的很，隨采深加大頂板圍巖會逐漸向底板運移，但老頂一般只發生彎曲變形，特別是幾十米的特厚老頂的存在，有效限制了破壞向頂板的發展，地表覆蓋層破壞形式呈深槽性地表塌陷。如果在開采過程中分段或水平采用自上而下的充填是及時有效的，破斷的影響范圍是有限的，在老頂上方就可構筑永久綠化帶和建筑物，恢復土地的使用功能，急斜特厚煤層開采的地表就完全可能恢復為綠色的秀美山川。

[1] 六道灣煤礦巖層與地表移動觀測.

[2] 高召寧，石平五.急傾斜水平分段放頂煤開采巖移規律[J].西安科技學院學報，2001(4)：316-318.

[3] 石平五，高召寧.急斜特厚煤層開采圍巖與覆蓋層破壞規律[J].煤炭學報，2003(1).