基于UDEC數(shù)值模擬的煤層群采動裂隙分布及演化規(guī)律分析

何成亮 謝小平 楊錦 敖富貴 成雁飛 代利紅

摘要：為了揭示試驗煤礦4煤層開采后頂?shù)装鍘r層的應(yīng)力、位移及裂隙的分布規(guī)律，分析采空區(qū)的冒落帶、裂隙帶、彎曲下層帶的“三帶”范圍，從而確定4煤層的裂隙分布和演化規(guī)律，為鉆孔的布置參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。文章通過數(shù)值模擬分析得出：1）隨著工作面不斷推進基本頂初次斷裂，裂隙不斷向上發(fā)展，上覆巖層離層裂隙最大高度達到距離煤層頂板34m處;2）在水平方向上，隨著工作面的不斷推進，裂隙的范圍不斷增大，以相似的裂隙分布形狀周期性向前發(fā)育;在垂直方向上，隨著工作面的不斷推進，裂隙不斷向上發(fā)展，頂板出現(xiàn)明顯的斷裂線，斷裂角度約為50°，離層裂隙層跳躍式向上發(fā)展，最后在頂板上方22.1m處形成大量離層裂隙;3）4號煤層回采時，在采動的影響下，5號煤層處于4號煤層開采卸壓區(qū)內(nèi)，5號煤層出現(xiàn)大量穿層裂隙，透氣性大增，5號煤層的瓦斯沿穿層裂隙涌向4號煤層工作面。

關(guān)鍵詞：高瓦斯;煤層群;數(shù)值模擬;采動裂隙

引言

煤層瓦斯，又稱為煤層氣，賦存于煤層之中，近幾年來，隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，礦井數(shù)量及煤炭產(chǎn)量迅速增加，礦井向深部延伸過程中，一些低瓦斯礦井變?yōu)楦咄咚沟V井和突出礦井，瓦斯危害越來越嚴重，頻發(fā)的瓦斯災(zāi)害嚴重地威脅著礦井工作人員的生命安全，制約著礦井生產(chǎn)的發(fā)展。同時，瓦斯又是一種清潔、高效的能源，如果將瓦斯資源安全抽采并加以利用，則能實現(xiàn)能源供應(yīng)、礦井安全生產(chǎn)和環(huán)境保護的統(tǒng)一。錢鳴高院士首次提出了“煤礦綠色開采”的概念[1-5]，煤與瓦斯共采技術(shù)是綠色開采的重要組成部分之一，其研究內(nèi)容和發(fā)展方向具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。目前，我國煤礦在防治瓦斯災(zāi)害方面正在轉(zhuǎn)變觀念，在采掘部署上把煤層瓦斯抽采納入煤礦正規(guī)生產(chǎn)的工藝流程，煤層瓦斯的開發(fā)和利用向規(guī)?；⑾到y(tǒng)化方向發(fā)展。將瓦斯作為一種資源抽采，能夠減少高瓦斯突出礦井治理瓦斯災(zāi)害費用，提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)在抽采瓦斯資源的同時治理礦井瓦斯災(zāi)害，形成一個良好的循環(huán)模式。

1工程概況

1.1 礦井概況

沙曲煤礦位于山西省呂梁市境內(nèi)，隸屬于華晉焦煤有限責任公司。井田走向長22km，傾斜寬4.5～8km，面積約135km2。礦區(qū)含局部可采和可采煤層共9層，至上而下分別為2號～5號煤層（山西組）、6號～10號煤層（太原組），總厚度約為15.4 m，煤質(zhì)為優(yōu)質(zhì)焦煤。礦井南翼山西組2號煤層厚度為0.9m，其下方10m處為3號煤層，平均厚度為1.2m;其下方21.2m處為4號煤層，平均厚度為4.02m;其下方26.8m處為5號煤層，平均厚度為3.42m。全礦井瓦斯絕對涌出量479.91m3/min，相對瓦斯涌出量103.75m3/t，煤層透氣性系數(shù)1.78～3.785 m2/（MPa2·d），屬于低透氣性高瓦斯煤層群開采礦井。主采2號、3號、4號、5號煤層瓦斯壓力分別為0.92Mpa、1.08Mpa、1.50Mpa、1.40Mpa，原始瓦斯含量分別為10.65m3·（t·r）-1、12.55m3·（t·r）-1、10.89m3·（t·r）-1、12.08m3·（t·r）-1，殘余瓦斯量分別為3.40m3·（t·r）-1、3.50m3·（t·r）-1、3.54m3·（t·r）-1、3.64m3·（t·r）-1。礦井主采煤層瓦斯其它基礎(chǔ)參數(shù)具體見表1。

1.2 工作面概況

南翼4號煤層14301工作面內(nèi)煤層厚度在2.2～2.7m之間，平均厚2.45m，傾角3°～6°，平均為4°，工作面內(nèi)地質(zhì)條件相對簡單，整體為一單斜構(gòu)造。14301工作面布置軌道巷、運輸巷和尾巷，三條巷道垂直于南三集中膠帶巷，形成“兩進一回”通風(fēng)方式。14301工作面設(shè)計傾斜長度為220m，可推進走向長度為1445m，采用傾向長壁采煤法，該工作面為南三采區(qū)首采工作面，南部為14302工作面（未開掘）;北部為杜峪村邊界煤柱;西部為南三采區(qū)集中大巷，東部為膠泥壟村邊界煤柱，14301工作面布置示意如圖1所示。

2卸壓開采范圍模擬分析

卸壓開采后，周圍的煤巖層向采空區(qū)移動，采空區(qū)上方巖體向采空區(qū)方向冒落形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，采空區(qū)下方煤巖體向采空區(qū)膨脹形成裂隙，使得上下方煤巖體產(chǎn)生應(yīng)力、透氣性、瓦斯壓力、位移等變化[6-8]。卸壓開采后應(yīng)力重新分布，采用塑性區(qū)描述卸壓范圍，數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可以看出，4號煤層開采后在煤層頂?shù)装逍纬伤苄詤^(qū)，在煤柱邊界處沿塑性區(qū)邊界作一條切線，便可得到上部煤層開采后，在采空區(qū)上下方形成的卸壓范圍，在傾向方向上，上部卸壓角為48°，下部卸壓角為42°，與集中載荷作用下頂?shù)装鍘r體內(nèi)應(yīng)力分布等值線對照，可以得出：1）采空區(qū)上下方形成卸壓保護區(qū)，卸壓區(qū)為漏斗狀，在4號煤層上方以一定角度偏向煤柱一側(cè)，4號煤層下方以一定的角度偏向采空區(qū)一側(cè);2）被卸壓保護的5號煤層和3號煤層處在卸壓保護區(qū)內(nèi)。

3 鄰近煤層采動應(yīng)力分布模擬分析

4號煤層回采以后將會引起鄰近的5號、3號煤層的垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力和水平位移的變化，應(yīng)力及位移的改變反映了鄰近煤層的卸壓情況。

采用數(shù)值模擬對4號煤層回采時相鄰煤巖層的垂直應(yīng)力變化進行了模擬研究。圖3為垂直應(yīng)力變化結(jié)果（工作面始采位置及停采位置對應(yīng)的坐標為80、220m），由圖3可見，4號煤層開采之后，5號煤層和3號煤層開始卸壓。5號煤層處于4號煤層的底板位置，并且距離4號煤層只有5.6m，因此5號煤層隨著4號煤層的開采而卸壓，卸壓效果明顯最小垂直應(yīng)力位于工作面附近，最小值接近于0。3號煤層距離處于4號煤層上方10處，位于4號煤層基本頂上方，基本頂破斷以后3號煤層才出現(xiàn)明顯的卸壓，當工作面推進30m，3號煤層的垂直應(yīng)力將為原始應(yīng)力的87%，說明3號煤層已經(jīng)充分卸壓。

通過以上數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，4號煤層的開采將破壞4號煤層鄰近煤巖層的原巖應(yīng)力場，使得鄰近煤巖層產(chǎn)生不同程度的卸壓，煤巖層產(chǎn)生膨脹變形，從而使煤巖體內(nèi)產(chǎn)生大量的順層及穿層裂隙，為瓦斯提供運移通道和富集區(qū)域。

4 結(jié)論

通過對4號煤層的頂?shù)装迩闆r進行數(shù)值模型分析，主要結(jié)論有：

（1）工作面推進15m時直接頂冒落，冒落高度為3.4m，基本頂未斷裂，裂隙發(fā)育不明顯;當工作面推進到35m時基本頂初次斷裂，裂隙不斷向上發(fā)展，上覆巖層離層裂隙最大高度達到距離煤層頂板13.2m處。此后隨著工作面的推進裂隙發(fā)育區(qū)不斷向上發(fā)展，當工作面推進50m時工作面頂板上方22.1m處出現(xiàn)離層裂隙，裂隙的發(fā)育高度達到了34m，此后，隨著工作面的推進，裂隙的發(fā)育高度基本穩(wěn)定在34m。

（2）通過數(shù)值模擬分析得出，在水平方向上，隨著工作面的不斷推進，裂隙的范圍不斷增大，以相似的裂隙分布形狀周期性向前發(fā)育;在垂直方向上，隨著工作面的不斷推進，裂隙不斷向上發(fā)展，頂板出現(xiàn)明顯的斷裂線，斷裂角度約為50°，離層裂隙層跳躍式向上發(fā)展，最后在頂板上方22.1m處形成大量離層裂隙。

（3）4號煤層回采時，在采動的影響下，5號煤層處于4號煤層開采卸壓區(qū)內(nèi)，5號煤層出現(xiàn)大量穿層裂隙，透氣性大增，5號煤層的瓦斯沿穿層裂隙涌向4號煤層工作面。

參考文獻：

[1]劉 佳，趙耀江，施恭東，劉紅威.深孔定向鉆進技術(shù)與裝備在我國礦井瓦斯抽采中的應(yīng)用[J].煤炭工程，2017，49（7）：106-110.

[2]肖東輝，蘇軍康，克里斯.弗睿爾.VLD-1000定向鉆機在構(gòu)造軟煤層中的成功應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2015，34（6）：229-232.

[3]董紅娟，張金山，李文哲，王 巖.順層定向千米長鉆孔抽采半徑時變規(guī)律研究[J]. 煤礦安全，2017，48（3）：9-12.

[4]張利軍，王志豪.遠高位裂隙帶長距離鉆孔在高瓦斯礦井中的應(yīng)用[J].煤炭工程，2015，47（5）：55-60.

[5]劉 應(yīng) 科.遠距離下保護層開采卸壓特性及鉆井抽采消突研究[J].煤炭學(xué)報，2012，37（6）：1067-1068.

[6]林海飛，李樹剛，趙鵬翔.我國煤礦覆巖采動裂隙帶卸壓瓦斯抽采技術(shù)研究進展[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2018，46（1）：28-35.

[7]李勝，畢慧杰，羅明坤，等.高瓦斯綜采工作面頂板走向高抽巷布置研究[J]. 煤 炭 科 學(xué) 技 術(shù)，2017，45（7）：61-67.

[8]謝小平.薄煤層切頂卸壓無煤柱沿空留巷技術(shù)研究[J]. 煤炭技術(shù)，2017，37（7）：36-38.

作者簡介：何成亮（2001.03-），男，漢族，貴州省威寧縣人，在讀本科學(xué)生，主要從事采礦工程專業(yè)方面的學(xué)習(xí)和研究。

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（項目編號：202110977009）