淺埋煤層開采覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律的數(shù)值模擬

張萬斌，高召寧，孟祥瑞

(安徽理工大學(xué)能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001)

我國西部毛烏蘇沙漠邊緣地下煤層儲(chǔ)量豐富，僅陜西境內(nèi)的榆神府煤田含煤面積約2.7×104km2，總儲(chǔ)量約2.4×1011t，被列為世界七大煤田之一[1]。該區(qū)域的煤層埋藏普遍較淺，基巖較薄，基巖上面常常覆蓋有較厚的風(fēng)積沙層，風(fēng)積沙層里面含有地表植被賴以生存的水分。由于基巖較薄，在對(duì)煤層進(jìn)行開采時(shí)，采動(dòng)裂隙很容易與風(fēng)積沙層貫通，從而使風(fēng)積沙中的水資源沿著裂隙滲入地下，造成地表水資源的流失，進(jìn)而造成地表植被破壞，生態(tài)環(huán)境惡化[2]。因此，研究煤層開采過程中裂隙的發(fā)育規(guī)律，進(jìn)而采取合理措施，實(shí)現(xiàn)保水開采，對(duì)于該地區(qū)來說刻不容緩。

在覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育方面，國內(nèi)外許多學(xué)者都做過研究，錢鳴高、許家林等通過物理相似模擬實(shí)驗(yàn)得出，采動(dòng)裂隙可以分為兩類：一類是橫向離層裂隙，它是隨著巖層的下沉運(yùn)動(dòng)在兩個(gè)巖層之間出現(xiàn)的裂隙；另一類是豎向裂隙，它是近似豎直發(fā)展的穿層裂隙[3]。2008年，繆協(xié)興等[4]應(yīng)用關(guān)鍵層理論，研究了上行裂隙帶內(nèi)隔水關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的概念模型。2010年，中國礦業(yè)大學(xué)的黃炳香、劉長(zhǎng)友、許家林提出了破斷裂隙貫通度的概念[5]。用來描述巖層(組)的破斷程度及破斷裂隙導(dǎo)水能力的強(qiáng)弱。2010年，黃慶享等人[6]以榆神府礦區(qū)淺埋煤層地層條件為工程背景，采用應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)滔嗨坪退硇韵嗨萍夹g(shù)，首次通過固液耦合模擬研究了淺埋煤層采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律。黃慶享在該研究中對(duì)上行裂隙和下行裂隙進(jìn)行了研究，提出了以下行裂隙和上行裂隙為主要指標(biāo)的隔水層穩(wěn)定性判據(jù)，建立了榆神府礦區(qū)淺埋煤層保水開采的分類方法，為淺埋煤層保水開采提供了科學(xué)依據(jù)。2012年，師本強(qiáng)[7]綜合研究了影響陜北淺埋煤層礦區(qū)保水開采的多種因素，并具體研究了各個(gè)影響因素是如何影響導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育，如何通過控制保水開采的影響因素實(shí)現(xiàn)保水開采。2012年，李永明、劉長(zhǎng)友、黃炳香等人[8]研究了急傾斜煤層覆巖破斷和裂隙演化的采厚效應(yīng)，得出了急傾斜煤層堅(jiān)硬頂板大面積懸頂后破斷將導(dǎo)致導(dǎo)水裂隙的急劇增大的結(jié)論。

本文以榆陽礦區(qū)某工作面為背景，以非連續(xù)介質(zhì)離散元程序UDEC為基本工具，對(duì)淺埋煤層開采中覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律進(jìn)行研究，為保水開采提供理論指導(dǎo)。

1 工作面概況

榆陽礦區(qū)位于毛烏素沙漠南緣，煤層埋藏較淺。該礦區(qū)某工作面平均走向長(zhǎng)度435m，傾斜長(zhǎng)度130m，所采煤層為3煤，煤層平均厚度3.5m，直接頂為泥巖，厚1.5m，老頂為砂巖，厚10m。本工作面煤層結(jié)構(gòu)單一，煤層傾角1°，為近水平煤層。煤層埋深140m，基巖厚度117.5m，最上面的兩層分別為厚15.6m的風(fēng)化砂巖和厚6.9m的風(fēng)化泥巖，其中風(fēng)化砂巖內(nèi)含有較豐富的水。采煤方法為走向長(zhǎng)壁開采，完全垮落法管理頂板。

2 數(shù)值模擬模型

為使模型適當(dāng)簡(jiǎn)化，在建模時(shí)，對(duì)原型中厚度小于等于1m的巖層，合并到與其巖性接近的鄰近巖層中。在本文中，沿走向建立模型，模型長(zhǎng)300m，高165.5m，其中老底20m，直接底2m，煤層3.5m，上覆巖層140m，直接模擬到地表。為觀察采動(dòng)過程中應(yīng)力和位移的發(fā)展變化規(guī)律，在模型上布置3條豎直測(cè)線，依次編號(hào)為一、二、三 。每條測(cè)線上均布5個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖1所示，圖1中最下面一層測(cè)點(diǎn)(即測(cè)點(diǎn)1、6和11)位于老頂巖層中，距離煤層頂板3m，最上面一層測(cè)點(diǎn)距煤層頂板59.5m。

圖1 測(cè)線與測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.1 邊界條件

左右邊界固定水平位移，底部邊界固定垂直位移，頂部為自由邊界。

2.2 模型力學(xué)參數(shù)

模型中，塊體采用摩爾-庫侖模型，節(jié)理材料采用面接觸庫侖滑移模型。煤巖體的力學(xué)參數(shù)通過如下方法得到：首先從現(xiàn)場(chǎng)取樣，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定樣品的力學(xué)參數(shù)，所得參數(shù)為煤巖塊參數(shù)，然后根據(jù)煤巖塊與煤巖體的力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系[9-10]，將煤巖塊參數(shù)乘以適當(dāng)?shù)南禂?shù)得到近似的煤巖塊力學(xué)參數(shù)。本文計(jì)算中使用的塊體力學(xué)參數(shù)和節(jié)理參數(shù)分別見表1和表2(節(jié)理參數(shù)中，各節(jié)理材料的內(nèi)聚力和抗拉強(qiáng)度均為0，在表1、表2中未列出)。

2.3 模擬開挖方案

采用分步開挖，每步開挖5m，并在模型兩邊各留40m邊界煤柱。每開挖10m，記錄一次各測(cè)點(diǎn)的位移和應(yīng)力。

表1 巖層的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

表2 巖層的節(jié)理參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果分析

隨著工作面的推進(jìn)，直接頂暴露面積逐漸增大，不斷出現(xiàn)橫向離層裂隙，當(dāng)開挖至15m時(shí)，直接頂初次垮落。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，老頂逐漸出現(xiàn)離層，當(dāng)開挖至40m時(shí)，老頂斷裂、下沉，局部受到底部矸石的支撐而平衡，表明此時(shí)老頂初次來壓，即老頂初次來壓步距約為40m。

3.1 覆巖位移變化分析

以工作面距離測(cè)點(diǎn)的距離為橫坐標(biāo)，以測(cè)點(diǎn)的下沉量為縱坐標(biāo)，作圖，圖形如圖2所示。由圖2可以看出，每條測(cè)線上的5個(gè)測(cè)點(diǎn)呈現(xiàn)出明顯的分組下沉現(xiàn)象，以圖2(a)為例，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2分別自成一組，測(cè)點(diǎn)3、4、5成一組，共三組。其中1號(hào)測(cè)點(diǎn)下沉最快，2號(hào)其次，3、4、5號(hào)測(cè)點(diǎn)下沉最慢。由此可以推測(cè)，在1號(hào)和2號(hào)、2號(hào)和3號(hào)測(cè)點(diǎn)之間出現(xiàn)了離層裂隙；而3、4、5號(hào)三個(gè)測(cè)點(diǎn)下沉速率一直保持一致，因此3號(hào)到5號(hào)測(cè)點(diǎn)之間的巖層裂隙不發(fā)育。3、4、5號(hào)三個(gè)測(cè)點(diǎn)下沉具有同步性，表明它們受到同一層關(guān)鍵層所控制[11]。從工作面的位置與測(cè)點(diǎn)下沉量的關(guān)系來看，當(dāng)工作面推過測(cè)線10～40 m時(shí)，測(cè)點(diǎn)的下沉量很大，表明這期間內(nèi)覆巖移動(dòng)明顯，裂隙快速發(fā)育。之后隨著工作面的推進(jìn)，各測(cè)點(diǎn)下沉速率趨緩。

圖2 工作面推進(jìn)時(shí)測(cè)點(diǎn)的位移變化曲線

3.2 采動(dòng)應(yīng)力狀態(tài)分析

在每條測(cè)線上選擇3個(gè)測(cè)點(diǎn)，以工作面距離測(cè)線的距離為橫坐標(biāo)，以測(cè)點(diǎn)的垂直應(yīng)力為縱坐標(biāo)，作圖，圖形如圖3所示。由圖3可以看出，隨著工作面向前推進(jìn)，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力總體變化趨勢(shì)為：先緩慢上升，到達(dá)峰值以后，迅速下降，至接近于0，然后再緩慢上升，最后趨于穩(wěn)定。由圖3可以看出，對(duì)于大部分測(cè)點(diǎn)，當(dāng)測(cè)點(diǎn)位于工作面前方10m時(shí)，測(cè)點(diǎn)的垂直應(yīng)力最大。這表明采動(dòng)時(shí)，巖體的超前集中應(yīng)力峰值位于煤壁前方10m左右。對(duì)于測(cè)點(diǎn)6和11，當(dāng)工作面位于其正下方時(shí)應(yīng)力最大，這是因?yàn)檫@些測(cè)點(diǎn)離煤層非常近，在這一巖層上超前應(yīng)力峰值處于煤壁前方10m以內(nèi)的位置，如圖4所示。由圖4可以看出，應(yīng)力峰值大致位于煤壁前方13～17m，這與對(duì)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)的結(jié)論相一致。當(dāng)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力達(dá)到峰值以后，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，應(yīng)力迅速減小，直至接近于0。應(yīng)力降至接近于0是因?yàn)殡S著煤層被采空，覆巖被破壞，巖層之間出現(xiàn)橫向離層[12]，即巖層與巖層之間不再是緊密接觸，而是出現(xiàn)了裂隙，導(dǎo)致上面的應(yīng)力無法向下傳遞，巖層逐漸進(jìn)入卸壓區(qū)。最后隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，應(yīng)力又緩慢上升，升高到一定程度后穩(wěn)定，這是因?yàn)殡S著工作面逐漸遠(yuǎn)離測(cè)線，測(cè)線所在的巖層裂隙逐漸被壓實(shí)，應(yīng)力部分恢復(fù)。觀察圖3(a)，當(dāng)工作面推過測(cè)線130m以后，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力趨于穩(wěn)定，表明這時(shí)候該測(cè)線處各覆巖運(yùn)動(dòng)已經(jīng)基本停止。從另一個(gè)方面，這可以說明工作面后方130m范圍內(nèi)，裂隙較為發(fā)育，而130m以外裂隙基本彌合。另外，在圖3(b)中，測(cè)點(diǎn)6的應(yīng)力降至0附近以后，并沒有明顯地隨著工作面的推進(jìn)而回升的現(xiàn)象，這說明該測(cè)點(diǎn)所在的巖層一直沒有被壓實(shí)，說明該測(cè)點(diǎn)位于冒落帶內(nèi)，裂隙一直很多。

圖3 工作面推進(jìn)時(shí)測(cè)點(diǎn)的垂直應(yīng)力狀態(tài)

圖4 工作面推進(jìn)100 m時(shí)的垂直應(yīng)力等值線圖

3.3 覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律

圖5所示為工作面推進(jìn)不同距離時(shí)候的裂隙發(fā)育情況圖。由圖5可以看出，開切眼形成以后，隨著工作面的推進(jìn)，逐漸在采空區(qū)上方巖層中產(chǎn)生大量橫向和豎向裂隙，且以前者為主。在采空區(qū)中部，隨著工作面的推進(jìn)，上位巖層逐漸離層，形成新的裂隙，而下位巖層原來的裂隙逐漸被壓實(shí)，裂隙不斷向上發(fā)展。在開切眼附近，已經(jīng)形成的裂隙不會(huì)隨著工作面的推進(jìn)而被壓實(shí)。開切眼附近、工作面附近及采空區(qū)上方的裂隙近似構(gòu)成一個(gè)梯形，如圖5(b)所示。當(dāng)工作面推進(jìn)至140m以后，裂隙發(fā)育最大高度基本保持不變，裂隙發(fā)育的最大高度為94.5m。

圖5 工作面推進(jìn)不同距離時(shí)的裂隙發(fā)育情況

4 結(jié)論

1)隨著工作面的推進(jìn)，覆巖呈現(xiàn)出分層下沉的特點(diǎn)。

2)位于巖層中的測(cè)點(diǎn)，隨著工作面的推進(jìn)，所受應(yīng)力先增大到一個(gè)峰值，然后快速降低至接近于0，最后緩慢上升，最終穩(wěn)定時(shí)的應(yīng)力不會(huì)超過前期峰值。

3)隨著工作面的推進(jìn)，裂隙逐步向上位巖層發(fā)展，采空區(qū)中部的裂隙逐步被壓實(shí)，而開切眼附近的裂隙不會(huì)被壓實(shí)，開切眼附近、工作面附近及采空區(qū)上方的裂隙近似構(gòu)成一個(gè)梯形。

4)當(dāng)工作面推進(jìn)至140m以后，裂隙發(fā)育最大高度基本保持不變，裂隙發(fā)育的最大高度為94.5m。

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