文家坡礦煤層頂板離層動態發育特征UDEC數值模擬研究

王磊，王樹明，陳星，翟恒玉，張鵬

(陜西彬長文家坡礦業有限公司，陜西 咸陽市 713500)

0 引言

高延法在傳統的“三帶”理論基礎上提出巖移“四帶”模型，將覆巖破壞后的力學結構特征劃分為破裂帶、離層帶、彎曲帶和松散沖積層帶，其中煤層頂板離層帶的形成常常伴隨著工作面離層水害的形成，嚴重的甚至造成頂板離層水涌、突水災害。礦山對煤層頂板離層水害的研究越來越重視，目前常用的方法有經驗公式法、相似材料模擬法、現場實測法和數值模擬法等。

文家坡井田地質條件下，煤層回采過程中由于洛河-宜君組地層厚度大、強度高，加之回采過程中易形成砌體梁結構而存在水平作用力，使得其整體結構變形量較小，在煤層回采過程中與下部侏羅系軟弱地層之間易形成離層空間，且隨著工作面的逐漸推采而周期性破斷。本文采用離散元計算機數值模擬方法，研究離層形成的動態發育過程，為離層水害形成機理提供理論依據。

1 彬長礦區地質概況

陜西彬長文家坡礦業公司礦井井田位于黃隴煤田彬長礦區，井田面積為79.69 km2，井田資源量為7.29億t，設計可采儲量為3.47億t，核定生產能力400萬t/a，服務年限61.2a，屬于弱沖擊地壓礦井。礦井首采區4煤層采用走向長壁綜合機械化放頂煤開采，全部垮落法管理工作面頂板。4煤煤層頂底板類型為層狀巖類、工程地質條件為中等類型，直接頂板以泥巖、砂質泥巖為主。煤層頂板覆巖表現為結構性“下軟-上硬”的地層覆巖結構特征，上部洛河組硬巖富水性中等，是影響煤礦回采的主要含水層段，下部軟弱的侏羅系地層含水層富水性弱。

根據勘探結果，文家坡井田的土層組分為流砂-淤泥層組、砂卵礫層組、黃土層組和黏土層組 4個土層組；巖石組分為礫巖巖組、砂巖巖組、泥巖巖組和煤巖組4個工程地質巖組。其洛河組含水層是彬長礦區范圍內主要充水含水層，地層厚度大，富水性相對較好，煤層回采過程中若導水裂縫帶波及到該含水層將造成工作面涌水強度增大，水害明顯。首采區范圍內洛河組含水層厚度由南向北逐漸增大，變化范圍為240～300 m。整體而言，洛河組含水層厚度在首采區區域內變化幅度相對較小，地層發育較為穩定。

2 離層空間動態變化數值模擬

煤層頂板覆巖破壞過程中若地層發生不協同變形，在不同層位之間會形成離層空間，離層形成、發展和破裂伴隨著頂板覆巖破斷。若離層空間發育時間長、空間規模大、有水源補給，在離層破斷過程中離層空間大量積水集中涌出，威脅工作面安全。開采過程中煤層回采造成頂板巖層垮落，發生明顯的地層破斷和位移，從而形成離層空間。因此，用離散元程序進行離層空間數值模擬計算較為合理，可以科學合理的模擬離層的形成、發展和破裂的過程。本文采用離散元數值模擬軟件，研究煤層頂板巖層中形成離層的可能性以及離層形成、發育和破斷過程，為離層突水機理研究提供依據。

2.1 模擬軟件及原理

UDEC模擬軟件基于二維離散元算法，可在二維空間描述離散介質的力學行為，通過模擬離散塊體集合來表示非連續介質。軟件主要模擬靜態、動態加載條件下非連續介質的力學行為特點。非連續介質反映于離散塊體的組合，節理則被當作塊體之間的邊界條件，它允許塊體沿節理面進行運動及回轉，單個塊體可以是剛性或是塑性。利用FISH語言編寫程序可開發具有特殊功能的UDEC程序，使其不僅能模擬巖體的復雜力學行為，也可以動態分析施工過程，并對工程結構力學行為進行預測和預報，數值模擬力學分析結果可用于指導礦井安全生產。

2.2 模型建立與開挖

以文家坡煤礦 4014綜放工作面為原型，采用UDEC 數值模擬軟件，研究 4 煤層開采過程中工作面頂板的破斷規律，分析頂板覆巖離層發育過程，研究頂板離層形成機理及發育規律。

根據文家坡煤礦首采區地質勘察資料建立數值模擬模型，在適當簡化后建立UDEC 計算模型，模擬煤層采高、面寬、工作面接續以及洛河組含水層水壓對覆巖采動裂隙發育演化的影響。模型尺寸為：1000 m×550 m（寬×高），煤層厚度為10 m，模型左邊界、右邊界、下邊界采用位移固定，模型上方覆巖自重通過加載方式實現，將載荷的布置形式設置為均布載荷，模型左右邊界施加圍壓，模擬采煤工作面實際受力情況。

巖體本構方程采用彈塑性本構模型，巖體屈服準則為摩爾-庫倫屈服準則，煤巖塊體選為應變軟化模型；模型中巖層層理、虛擬節理等節理選擇為面接觸-庫倫滑移節理模型，煤層的開采垂直節理設置為虛擬節理。模型如圖1所示，初始應力平衡如圖2所示。

圖1 模型網格劃分

圖2 初始應力平衡

2.3 模擬計算結果及分析

以文家坡煤礦首采區 4104綜放開采工作面參數為基礎，模擬綜放開采條件下頂板覆巖離層動態發育特征；以4 m為開采步距，開采高度為10 m，分別得出沿走向不同推進深度頂板覆巖應力分布特征，如圖3所示。

圖3 綜放工作面走向推進應力分布特征

圖3為工作面綜放采高10 m 條件下應力分布情況。工作面煤層開采后，煤層頂板覆巖原有應力平衡狀態被打破，煤層上方頂板一定范圍內顯現垂直應力集中區，采空區形成卸壓區和壓實區，壓實區只有當工作面推進一定距離后才產生。隨著采高的增大，支撐應力峰值逐漸增大，同時可以看到，綜放開采工作面采空區不易于充滿，覆巖擾動范圍大，支撐應力增加相對較快。結合覆巖運動和應力分布特征，進一步分析頂板覆巖離層動態發育特征，如圖4所示。

圖4 綜放工作面走向推進裂隙分布

圖4為采高10 m 條件下綜放開采工作面不同推進距離時覆巖采動裂隙分布情況。當工作面推采20 m 時，直接頂泥巖頂部出現較大離層，離層發育高度距煤層頂板11 m。當工作面推采40 m 時，采空區中部基本頂出現較大離層，中部存在少量縱向破斷裂隙，直接頂泥巖發生初次垮落，垮落高度距煤層頂板25 m，隨著工作面繼續推采，直接頂泥巖隨采隨落。當工作面推采至60 m 時，基本頂發生初次垮落，即工作面初次來壓，此時垮落高度距煤層頂板38 m，裂隙帶高度121 m。

隨著工作面推采距離增加、采動面積不斷擴大，老頂發生周期性來壓、垮落，周期來壓垮落步距平均為20 m，覆巖垮落高度及裂隙帶發育高度也隨之發生變化。當工作面推采至180 m 時，離層裂隙發育至煤層頂板246 m，此時裂隙帶高度達到最大并趨于穩定，裂隙帶高度不再隨著工作面推采而變化，但采高的增大會使得導水裂隙帶高度增加，覆巖破壞范圍加大。從整個覆巖采動裂隙演化過程可知，覆巖采動離層裂隙不斷的向上演化，同時隨著走向的推進，離層裂隙將會產生閉合和張開，其中離層裂隙最高為254 m，當工作面推采至200 m時，離層空間高度最大為2.2 m。

3 結論

根據數值模擬結果，文家坡煤礦首采區煤層回采后會形成離層空間，上覆白堊系地層變形量相對較小，隨著工作面推采，離層空間逐漸向上發展，且在安定組頂部發育穩定并逐漸破裂，再次形成新的離層空間。工作面推采過程中離層空間周期性形成與破裂，最終導致安定組頂部形成較穩定充水離層的空間、變化過程，得出如下結論：

（1）隨著煤層逐步回采，頂部離層逐漸形成，并在壓力拱的作用下逐漸向上發育，中間部分離層逐漸形成之后在采空區壓實區有所閉合，最終在安定組頂部形成較為穩定的離層空間。

（2）由于宜君組地層裂隙發育與安定組的彌合作用，安定組頂部離層空間為局部封閉型離層，在一定程度上形成補給而造成離層積水；

（3）數值模擬結果表明，工作面煤層采厚10 m條件下最大離層變形可達到 2.2 m；在煤層采厚較大時離層空間發育更為明顯，在下部安定組地層彌合條件下離層積水量更大。