基于UDEC的水庫下壓煤開采安全性分析

張　進

(國投晉城能源投資有限公司)

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基于UDEC的水庫下壓煤開采安全性分析

張進

(國投晉城能源投資有限公司)

摘要為分析裴溝煤礦魔洞王水庫下壓煤開采的安全性，利用UDEC數(shù)值模擬軟件建立了走向回采工作面的開采模型，模擬計算得出不同開采厚度條件下上覆巖層破壞發(fā)展過程及對導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的影響，并與經(jīng)驗公式計算的結(jié)果對比分析，驗證數(shù)值模擬的正確性。根據(jù)導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度和地表裂隙發(fā)育情況，分析得出魔洞王水庫下開采安全防水巖柱尺寸，結(jié)果表明，魔洞王水庫下回采是安全可行的。首采的31071工作面已經(jīng)安全通過水庫區(qū)，從而驗證了分析正確性。

關(guān)鍵詞UDEC覆巖破壞導(dǎo)水裂隙帶高度

影響水體下壓煤開采安全性的因素主要是導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，當(dāng)保安煤柱高度不夠或留設(shè)不合理時，有可能發(fā)生水體或者泥沙導(dǎo)通井下或工作面涌水量超限等問題[1]，嚴(yán)重影響礦井的安全生產(chǎn)工作。目前國內(nèi)外對裂隙帶發(fā)育高度的研究方法包括理論分析、現(xiàn)場鉆(物)探實測、相似模擬分析和經(jīng)驗公式計算等[2]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬分析以其計算快捷方便，能夠直觀顯示覆巖破壞的發(fā)展變化過程而應(yīng)用越來越廣泛。利用UDEC建立數(shù)值模型，分析魔洞王水庫下采煤覆巖破壞特征和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育狀況，對該礦區(qū)進行水庫下采煤安全性分析和合理選擇采高具有重要的參考意義。

1工程概況

裴溝煤礦始建于1960年，是鄭煤集團的主力生產(chǎn)礦井。目前礦井開采的31采區(qū)位于井田東部，主采的二1煤層平均厚約7.8 m。31采區(qū)地表的魔洞王水庫始建于上世紀(jì)50年代，為小(二)型，水庫平均深約3.13 m，水域面積為600.6萬m2，覆蓋31采區(qū)中北部大片區(qū)域，壓煤量預(yù)計達500余萬t。31采區(qū)共布置7個工作面，大多數(shù)工作面要穿過水庫。工作面與水庫相對位置關(guān)系見圖1。

2數(shù)值模擬

UDEC是針對處理不連續(xù)介質(zhì)的二維離散元程序，該程序基于離散單元法DEM開發(fā)，模型內(nèi)劃分的塊體單元及其節(jié)理面可以被壓縮、擠壓而產(chǎn)生滑動、變形、分離等破壞，能夠形象地顯示節(jié)理巖體的非線性大變形特征。

圖1　31采區(qū)工作面布置與魔洞王水庫相對位置關(guān)系

2.1模型建立

計算模型根據(jù)裴溝煤礦的實際采礦地質(zhì)條件，并考慮計算模型的邊界效應(yīng)對于模擬開采區(qū)域的影響，確定模型尺寸為1 000 m×300 m(長×高)，見圖2。判斷巖體模型破壞采用mohr-coulomb屈服準(zhǔn)則(式1)和Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則(式2)。

圖2　開采模型

(1)

(2)

式中，σ1，σ3分別為最大、最小主應(yīng)力，MPa；c為黏聚力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)；σci為單軸抗壓強度，MPa；m，s分別為反映巖石的軟硬程度和破碎程度的經(jīng)驗參數(shù)。

2.2模型力學(xué)參數(shù)

根據(jù)裴溝礦31采區(qū)地質(zhì)鉆孔柱狀圖資料確定模型各上覆巖層及其層位關(guān)系。參考該礦實測巖石力學(xué)參數(shù)，依據(jù)Hoek-Brown破壞準(zhǔn)則確定計算模型巖體及節(jié)理的物理力學(xué)參數(shù)[3]，見表1、表2。

表1　巖體力學(xué)參數(shù)

表2　節(jié)理力學(xué)參數(shù)

2.3模擬結(jié)果分析

計算模型均以20m為計算步距，分別模擬采高為3,5和7.5 m時上覆巖層的破壞狀況。用豎向位移云圖表示覆巖垮落和裂隙發(fā)育，根據(jù)劃分的離散元塊體垮落、離層情況，判斷覆巖發(fā)展破壞和裂隙發(fā)育狀況[4],見圖3。

圖3　不同采高時上覆巖層堅向位移變化云圖　　由圖3可知：

(1)當(dāng)采高為3 m時，工作面從80 m推進到100 m，覆巖破壞高度基本保持在42 m；當(dāng)采高為5 m 時，工作面從100 m推進到140 m，覆巖破壞高度基本保持在55 m；而當(dāng)采高為7.5 m時，工作面從140 m推進到180 m，覆巖破壞高度基本保持在74 m。這表明采高分別為3，5，7.5 m時，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度分別為42，55，74 m。這也說明覆巖破壞有時間和空間的發(fā)展過程，在覆巖充分破壞以前，裂隙發(fā)育隨著工作面的推進不斷向上發(fā)展，而當(dāng)覆巖充分破壞以后，裂隙發(fā)育高度基本保持不變。

(2)不同采高條件下覆巖破壞形態(tài)均由上凸形逐漸向馬鞍形過渡，且在覆巖破壞高度達到充分后，馬鞍形的破壞形態(tài)更加明顯。這是由于隨著工作面的推進，覆巖先后發(fā)生垮落破壞，當(dāng)回采過的空間達到一定程度后，上部巖層不再破斷而產(chǎn)生彎曲下沉，并作用在已垮落的巖體上，下部已垮落巖體受上部巖層的壓實作用，覆巖破壞過程趨于穩(wěn)定，部分裂隙逐漸閉合，裂隙高度略有下降。而在工作面端部，受超前支撐壓力作用，覆巖破壞劇烈，裂隙發(fā)育高度較大，從而在形態(tài)上表現(xiàn)為裂隙發(fā)育中間低兩端高的馬鞍形[5]。

(3)根據(jù)裂隙高度與采高的關(guān)系，采高為3 m時，裂采比(裂隙帶發(fā)育高度與采高之比)為14；采高為5 m時，裂采比為11；采高為7.5 m時，裂采比為9.87，即隨著采高的增加，裂隙帶發(fā)育高度與采高之比逐漸減小。

3水庫下壓煤回采安全性分析

3.1導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計算

分析31采區(qū)內(nèi)鉆孔柱狀圖可知，該采區(qū)上覆巖層組成主要為中粒砂巖、細粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖等。綜合分析各巖層組分，砂巖、粉砂巖、泥巖組成比例約為0.34∶0.08∶0.58，覆巖類型為軟弱偏中硬。

利用經(jīng)驗公式(表3)計算采高分別為3，5和7.5 m時導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，結(jié)果見表4。

表3　緩傾斜厚煤層分層開采導(dǎo)水裂隙帶計算公式

注：ΣM為累計采厚，ΣM<15 m；M為單層采厚，M<3 m；±為中誤差。

表4　導(dǎo)水裂隙帶高度計算結(jié)果

3.2模擬結(jié)果與經(jīng)驗公式計算結(jié)果對比

對比分析不同采高時數(shù)值模擬與經(jīng)驗公式計算得出的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，可以看出，在采高為3和5 m時，數(shù)值模擬與經(jīng)驗公式計算結(jié)果非常接近，而采高為7.5 m時，數(shù)值模擬計算值高于經(jīng)驗公式計算值。由于經(jīng)驗公式是前人基于以往分層開采和普采的統(tǒng)計資料分析確定，對于綜采工作面有一定的局限性。實測和理論分析都表明，隨著采高的增大，綜采工作面覆巖破壞強度和裂隙發(fā)育高度與分層開采和普采相比明顯增大。這說明利用UDEC數(shù)值模擬研究覆巖破壞特征比利用經(jīng)驗公式具有更廣泛的適用性，分析計算的結(jié)果也更真實可靠。

3.3防水巖柱高度分析

防水煤巖柱指開采煤層頂板至地面水體底界之間的巖層整體。其防隔水性能與該段巖柱的含水性、隔水性及抵抗采動裂隙產(chǎn)生的能力有關(guān)，防水煤巖柱的安全高度是判斷水體下采煤是否安全的重要指標(biāo)。防水煤巖柱高度應(yīng)大于導(dǎo)水裂隙帶與保護層厚度之和，計算公式為

(3)

式中,Hsh為防水巖柱高度,m；Hli為導(dǎo)水裂隙帶高度,m；Hb為保護層厚度,m；h為地表裂縫深度,m。

利用建立完備的開采沉陷預(yù)計模型[6]，推導(dǎo)得出回采后表土層裂縫臨界水平變形值和裂縫發(fā)育極限深度的估算公式：

(4)

(5)

式中,εJ為計算裂縫臨界水平變形值,mm;h為計算裂縫極限深度,m;c為黏聚力,MPa；φ為內(nèi)摩擦角,(°);μ為泊松比;E為彈性模量,GPa；γ為巖土層容重,kN/m3。

根據(jù)31采區(qū)表土層的物理力學(xué)性質(zhì)[7]，E=13.1 MPa,c=0.029 MPa,μ=0.3,φ=18°,γ=15.8 kN/m3,經(jīng)計算，回采后地表裂縫臨界水平變形值可達5.5 mm，裂縫發(fā)育深度約3.7 m，考慮安全因素，裂縫發(fā)育深度取6 m。

依據(jù)裴溝礦軟弱偏中硬的巖層性質(zhì)，保護層厚度Hb取一次開采厚度的6倍[8]，分析31采區(qū)鉆孔柱狀圖可知，煤層埋深在水庫上部約204 m，中部約252 m，下部約394 m。不同采高時防水巖柱高度與上覆巖層厚度的對比關(guān)系見表5。

由表5可知，開采煤層上覆巖層的最小厚度均遠大于需要留設(shè)的防水巖柱的高度，且水庫底有約18 m厚的第四系黏土作為隔水層，表明魔洞王水庫下采煤是安全可行的。

表5　防水巖柱與煤層上覆巖層厚度對比關(guān)系

431071工作面試采

目前31071試采工作面已經(jīng)回采完畢，采高為5 m，通過分析井下和地表的觀測資料，在回采期間工作面沒有出現(xiàn)涌水量超限現(xiàn)象，地表水庫水體也沒有受到回采的影響，這表明分析結(jié)果是準(zhǔn)確的、可靠的。

5結(jié)論

根據(jù)裴溝煤礦的覆巖賦存特點，利用UDEC數(shù)值計算軟件模擬分析得出不同回采厚度對上覆巖層破壞和導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的影響，并實現(xiàn)了覆巖發(fā)展破壞過程的可視化；對比分析數(shù)值模擬結(jié)果和經(jīng)驗公式計算結(jié)果，表明UDEC數(shù)值模擬具有更廣泛的適用性和準(zhǔn)確度；分析得出魔洞王水庫下采煤防水煤巖柱尺寸，結(jié)合31采區(qū)的巖層賦存特征，表明魔洞王水庫下開采是安全可行的；首采的31071工作面已安全通過水庫庫區(qū)，從而驗證了分析是正確的、可靠的。

參考文獻

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(收稿日期2015-11-23)

張進(1987—)，男，助理工程師，碩士，048026 山西省晉城市鳳臺東街1188號。