淺埋煤層工作面的UDEC數值模擬研究

梁永超

(山西焦煤集團有限責任公司 東曲礦,太原 030200)

淺埋煤層的典型特征是埋深淺、基巖薄、上覆厚松散沙層,根據已有資料表明,淺埋煤層的礦壓顯現不一定比深埋煤層小,淺埋煤層工作面頂板破斷運動具有特殊性。從巖層控制層面考慮淺埋煤層,是巖層控制領域急需解決的關鍵問題之一[1-3]。

UDEC模擬軟件是一個針對非連續介質模型的二維離散元數值計算程序,應用于采礦工程主要有兩個優點:一是允許離散的巖塊產生大的變形,并且允許巖塊沿節理面滑動;二是模型可以自動適應新的接觸面。本文利用UDEC建立數值模型,利用所建立的模型研究相關工作面頂板,期望為相關礦井工作面安全高效開采提供參考依據[4-5]。

1 工程背景

山西焦煤集團東曲礦28208工作面位于麻坪嶺以北,小沙巖以南,上方地面有白家山村(已搬遷),煤層厚度為3.05 m,蓋山厚度214 m～343 m,走向長度為1 198 m～1 266 m,傾斜長度為226 m,面積為271 663 m2,工作面對應地面標高為1 124 m～1 256 m,工作面標高為861 m～945 m。工作面的老頂為石灰巖,厚度為4.40 m,直接頂為泥巖,厚度為0.95 m,直接底為砂質泥巖,厚度為4.20 m,如表1所示。

表1 煤層頂底板情況

2 數值模型的建立

對淺埋煤層條件下28208工作面進行數值模擬建立,計算模型長度為100 m,高度為42.08 m。工作面數值模型自下而上依次為:細粒砂巖、砂質泥巖、煤、炭質泥巖、砂質泥巖、9號煤、砂質泥巖、8號煤、泥巖、8號上煤、石灰巖、細粒砂巖、中粒砂巖、砂質泥巖、細粒砂巖、石灰巖、細粒砂巖、7號煤。28208工作面老頂為石灰巖,直接頂為泥巖,直接底為砂質泥巖。模型每次開挖程度為2 m,共開采30步。開采高度為煤層厚度3.05 m,如圖1 所示。

模型計算邊界條件為:上部邊界為應力邊界條件,垂直應力為采深為250 m時產生的應力,水平應力為垂直應力乘以側壓系數,側壓系數為1.2。

圖1 數值模擬模型

將兩邊邊界固定,選擇莫爾—庫倫模型作為本構模型[6-7],根據現場實測數據,工作面初次坡段步距為10 m,根據已有的實驗數據及工作面實測數據,選取模型相關煤層及巖層的屬性,建立模型。28208工作面煤層及其頂底板巖石物理力學參數如表2所示。

表2 煤巖層塊體物理力學參數

3 UDEC數值模擬結果分析

煤層開采后,采空區周圍原有的應力平衡狀態受到破壞,引起周圍應力的重新分布,并且會引起巖層的變形、破壞和移動,采深較小的煤層開挖后,會在采空區上部形成冒落帶,裂隙帶,彎曲下沉帶,即“三帶”,由于淺埋煤層埋深較淺,上覆巖層的彎曲下沉會發展至地表,造成地表的彎曲下沉[8-10]。

圖2至圖7分別為工作面推進2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m時,上覆巖層逐步發生變化的過程。

圖2 工作面推進2 m

圖3 工作面推進4 m

圖4 工作面推進6 m

圖5 工作面推進8 m

圖6 工作面推進10 m

圖7 工作面推進12 m

由圖2至圖7可以看出,隨著工作面持續向前推進,工作面直接頂首先產生彎曲下沉,繼而產生裂隙,發生破斷,當工作面推進至8 m左右的位置時,直接頂初次冒落。

圖8至圖15分別為工作面推進16 m、20 m、24 m、28 m、32 m、36 m、50 m、60 m時,上覆巖層逐步發生變化的過程。

圖8 工作面推進16 m

圖9 工作面推進20 m

圖10 工作面推進24 m

圖11 工作面推進28 m

圖12 工作面推進32 m

圖13 工作面推進36 m

圖14 工作面推進50 m

圖15 工作面推進60 m

從圖8—圖15可以看出隨著工作面的逐步推進,采空區逐漸擴大,當開采距離達到16 m時,基本頂初次垮落初次來壓,地表出現下沉,在直接頂垮落之后,老頂也隨著工作面的推進逐漸發生位移,但由于煤層厚度較薄,在頂板垮落并與底板接觸之后,采空區上覆巖層并不會進一步下降,但是整個工作面上覆巖層下降的區域會進一步向兩邊持續擴大[11-12]。

4 結論

通過UDEC數值模擬,對東曲礦淺埋煤層28208工作面進行數值模擬分析,得到以下幾個方面的認識:

1)在工作面在推進到8 m左右處時,直接頂將會首先發生破斷,但由于28208工作面直接頂為較薄的泥巖,所以在直接頂發生破斷的同時,老頂巖層也發生了垮落;當工作面推進至16 m 時,直接頂發生初次垮落,充填采空區,模擬所得的頂板來壓情況與現場實測結果基本相同,可根據結果在相應時間段對頂板加強支護。

2)煤層上覆巖層在工作面采動影響下會產生裂隙,隨著工作面持續向前推進,巖層裂隙從下位巖層逐步向上位巖層發展,隨著采空區垮落巖石逐漸壓實穩定,采空區中部的裂隙會逐漸閉合,裂隙呈現中央少兩端多的狀態。

3)薄煤層開采時,工作面開采后直接頂發生垮落,垮落的巖層會充實采空區,但是由于煤層厚度較小,老頂可能只是部分垮落,所以上覆巖層運動范圍較小,來壓強度較小。