復雜煤層開采工作面礦壓數值模擬

陳彥好 喬藝騫

摘 要： 隨著煤炭資源的不斷開發，淺層長壁煤炭被不斷采出，特別是在東部地區，不斷向深部煤層以及復雜煤層發展，然而復雜煤層的開采條件更加復雜、惡劣，所以，對復雜煤層開采的研究勢在必行。為了更清楚的了解復雜煤層開采工作面的礦壓顯現規律，本文將采用離散元UDEC3.10軟件進行數值模擬，通過分析得到復雜煤層開采條件下的礦壓顯現規律。

關鍵詞： 復雜煤層；礦山壓力；數值模擬；UDEC軟件

1UDEC3.10軟件介紹

UDEC（Universal Discrete Element Code）是針對非連續介質開發的平面離散元程序，在數學求解方式上采用了與FLAC一致的有限差分方法，力學上則增加了對接觸面的非連續力學行為的模擬，因此，UDEC被普遍用來研究非連續面（與地質結構面）占主導地位的工程問題。

2模型建立

根據宋振騏院士提出的以巖層運動為中心的礦壓傳遞巖梁理論建立數值模擬模型。根據采場上覆巖層運動對采場產生直接影響的程度，可以認為6.6m砂質頁巖老頂及其以下范圍的巖層是對采場產生直接影響的巖層，而該老頂之上巖層則視為作用到其上的載荷，所以模型的建立只考慮老頂、直接頂、煤層和底板的結構關系。

工作面巖性特征如表3-1所示。

為了模擬復雜煤層開采過程的圍巖運動及應力演化規律，采用適合非連續介質的離散元軟件UDEC進行模擬。建立模型范圍為：走向100m×巖層高度22.4m，依據表3-1賦予各巖層相應的力學參數，根據經驗選取相關節理、裂隙的物理力學參數，模擬中模型深度為600m，所建立模型在上邊界施加600m埋深所產生的壓力，左右邊界和下邊界固定。建立模型如圖1所示。

3模擬過程

建立模型后，按照以下過程進行模擬：原巖應力平衡→工作面初次來壓→工作面周期來壓1→工作面周期來壓2→工作面周期來壓3。

4模擬結果

通過對上覆巖層的下沉量進行分析可以看出，隨著工作面的不斷推進，直接頂和老頂均在距離工作面10m～15m左右出現離層，這說明直接頂的下沉速度要大于老頂的下沉速度，相對于直接頂來說，老頂的下沉是緩慢的。

采場上覆巖層位移：

通過對上覆巖層運動規律進行分析，可以看出：

1、在靠近煤壁處和直接頂懸頂與老塘區接界處應力都為壓應力，越靠近煤層應力值越大，遠離煤層處應力變小；采空區周圍受到的應力較小，煤壁內側周圍受到的應力最大；采深越大，靠近煤壁處應力值越大。

2、水平方向應力越靠近煤壁應力值越大，且為壓應力，遠離煤壁的頂底板水平壓應力值變小，達到一定距離后拉應力出現；直接頂和老頂上都有水平拉應力出現，且以拉應力為主。

3、隨著工作面的推進煤層覆巖的最大下沉量基本一致，但是在距離工作面距離較近的直接頂和老頂之間已經出現了離層，這說明直接頂與老頂之間的下沉速度是不一致的，相對于直接頂來說，老頂的下沉速度是緩慢的。