煤層群采動(dòng)裂隙分布及演化規(guī)律的數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)

何成亮 謝小平 楊錦 敖富貴 成雁飛 代利紅

摘要：UDEC是一種基于非連續(xù)體模擬離散單元法的數(shù)值計(jì)算程序，本次數(shù)值模擬是為了揭示試驗(yàn)煤礦4煤層開(kāi)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)。試驗(yàn)煤礦4號(hào)煤層傾角平均為4°，工作面沿走向推進(jìn)，依次建立了工作面推進(jìn)方向的水平數(shù)值計(jì)算模型和工作面傾向模型，并對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行選取。

關(guān)鍵詞：高瓦斯;煤層群;數(shù)值模擬;方案設(shè)計(jì)

引言

UDEC（Universal Distinct Element Code）是一種基于非連續(xù)體模擬離散單元法的數(shù)值計(jì)算程序。它主要模擬靜載或動(dòng)載條件下非連續(xù)介質(zhì)（如節(jié)理塊體）的力學(xué)行為特征，通過(guò)離散塊體的組合來(lái)反映非連續(xù)介質(zhì)，節(jié)理被當(dāng)作塊體間的邊界條件來(lái)處理，允許塊體沿節(jié)理面運(yùn)動(dòng)及回轉(zhuǎn)。單個(gè)塊體可以表現(xiàn)為剛體也可以表現(xiàn)為可變形體[1-4]。用UDEC能很好地模擬煤層開(kāi)挖后頂板冒落、垮落、離層的過(guò)程，以工作面走向剖面和傾向剖面為現(xiàn)場(chǎng)模型，建立數(shù)值模型，研究工作面上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律。卸壓開(kāi)采后，周?chē)拿簬r層向采空區(qū)移動(dòng)，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[5-8]。

煤層瓦斯，又稱(chēng)為煤層氣，賦存于煤層之中，近幾年來(lái)，隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，礦井?dāng)?shù)量及煤炭產(chǎn)量迅速增加，礦井向深部延伸過(guò)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(lái)越嚴(yán)重，頻發(fā)的瓦斯災(zāi)害嚴(yán)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(shí)，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(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)、礦井安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的統(tǒng)一。

1工程概況

某礦井14301工作面為傾向長(zhǎng)壁工作面，為南三采區(qū)第一個(gè)回采工作面，北面為杜峪村保護(hù)煤柱;南面為14302工作面，未開(kāi)掘;東面為膠泥壟村保護(hù)煤柱，西面至南三采區(qū)大巷。工作面設(shè)計(jì)兩進(jìn)一回，為“刀把”型工作面，三條順槽都與南三集中膠帶巷垂直。軌道順槽1502m（1302+200m），膠帶順槽長(zhǎng)1468m，回風(fēng)順槽長(zhǎng)1463m，工作面切眼寬220m（100m+120m），工作面可采長(zhǎng)度為1445m，可采面積為0.298km2。地質(zhì)儲(chǔ)量（Qd）為102.2萬(wàn)t，可采儲(chǔ)量（Qk）為94.3萬(wàn)t。

工作面底板標(biāo)高預(yù)計(jì)在440～570m之間，工作面上覆地表均為黃土覆蓋區(qū)，地面標(biāo)高為855～995m，預(yù)計(jì)蓋山厚度為470～540m，地表由四個(gè)近似南北向的沖溝和黃土峁梁相間分布組成，為典型的黃土丘陵地貌，地表附著有蘋(píng)果樹(shù)，通往強(qiáng)家塔村的小路，無(wú)建筑物等設(shè)施。工作面煤厚在2.2～2.7m之間，平均2.45m。煤層呈黑色，結(jié)構(gòu)均一。煤巖組分以鏡煤為主，條帶狀，煤巖類(lèi)型為光亮型煤。14301工作面整體為一單斜構(gòu)造，煤層走向320°，傾向SW，傾角3°～6°，平均為4°。工作面地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，預(yù)計(jì)掘進(jìn)過(guò)程中局部地段會(huì)揭露小型斷裂構(gòu)造或煤層變薄帶。

根據(jù)本采區(qū)已采工作面瓦斯資料情況分析，預(yù)計(jì)正常情況下，14301掘進(jìn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為3～8m3/min之間，遇特殊地質(zhì)條件、會(huì)發(fā)生瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，瞬間瓦斯?jié)舛葧?huì)增大好幾倍，給安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重隱患，發(fā)生瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象一般在遇小型構(gòu)造附近，煤層產(chǎn)狀、煤層厚度變化大的地段，以及煤層受地質(zhì)應(yīng)力作用變軟或煤層結(jié)構(gòu)遭到破壞的地段。

2 模型的建立及方案的設(shè)計(jì)

本次模擬是為了揭示4煤層開(kāi)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)。沙曲煤礦4號(hào)煤層傾角平均為4°，工作面沿走向推進(jìn)，依次建立工作面推進(jìn)方向的水平數(shù)值計(jì)算模型和工作面傾向模型[80]，見(jiàn)圖2。

在工作面推進(jìn)方向，4號(hào)煤層工作面基本頂?shù)某醮慰迓洳骄酁?4m，周期來(lái)壓步距為14m，為模擬初次來(lái)壓前后和周期來(lái)壓期間的裂隙演化和應(yīng)力、位移變化情況，在走向推進(jìn)方向設(shè)計(jì)了以下6種模擬方案：1）工作面的推進(jìn)距離為15m;2）工作面的推進(jìn)距離為35m;3）工作面的推進(jìn)距離為50m;4）工作面的推進(jìn)距離為80m;5）工作面的推進(jìn)距離為110m;6）工作面的推進(jìn)距離為140m。

同時(shí)，為了研究工作面傾向方向的裂隙及離層情況，建立了傾向數(shù)值模型。根據(jù)14301綜采工作面綜合柱狀圖，結(jié)合模擬的目的，建立的數(shù)值分析模型如圖2，走向模型尺寸為300×55.7m，傾向模型尺寸為380×90m。

3 模擬的內(nèi)容及參數(shù)的選取

模擬的內(nèi)容圍繞模擬的目的進(jìn)行，本次模擬主要是要看在4煤層開(kāi)采后，頂板冒落、巖層活動(dòng)、三帶分布、裂隙分布、垂直位移、垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力等的分布情況及上覆巖層活動(dòng)穩(wěn)定與開(kāi)采時(shí)間的關(guān)系。

根據(jù)原始地質(zhì)資料中各層巖層的不同巖性，試驗(yàn)得到各層巖體物理力學(xué)參數(shù)。最終得到各層巖體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，各巖層之間的結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

4 結(jié)論

本次數(shù)值模擬是為了揭示4煤層開(kāi)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)。試驗(yàn)煤礦4號(hào)煤層傾角平均為4°，工作面沿走向推進(jìn)，依次建立了工作面推進(jìn)方向的水平數(shù)值計(jì)算模型和工作面傾向模型，并對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行選取。

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作者簡(jiǎn)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(zhuān)業(yè)方面的學(xué)習(xí)和研究。

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：202110977009）