三元福达煤矿15号煤层上覆岩层裂隙带分布范围的UDEC模拟研究

收稿日期:2022-03-06
作者简介:郝振宁(1983-),男,山西长治人,工程师,从事煤矿地质及水文地质技术工作。

doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2022.06.024
三元福达煤矿15号煤层上覆岩层裂隙带
分布范围的UDEC 模拟研究
郝振宁
(山西三元福达煤业有限公司,山西长治　046300)
摘　要:采场覆岩会随着工作面的推进发生移动、变形和破断等运动,在纵向上形成“竖三带”,即垮落带,裂隙带及弯曲下沉带。

其中准确的裂隙带分布范围将会对矿井安全生产,支护参数优化等方面提供有效的保障,文章通过采用UDEC 模拟软件,分析确定了三元福达煤矿15号煤层上覆岩层裂隙带高度。

关键词:竖三带;上覆岩层;UDEC ;模拟研究
中图分类号:TD325.1 文献标识码:B 文章编号:1005-2798(2022)06-0075-02
煤层被开采出以后,围岩的原岩应力状态发生
变化,失去平衡,顶底板岩层特别是顶板岩层发生移动、变形乃至破坏,直至垮落。

随着开采面积的不断扩大,岩层的移动从采空区顶板一直发展到地表。

当顶板上覆岩层破裂垮落后,充填了采空区,使上覆岩层又得到了支撑。

垮落岩石逐渐被压实,导致上层的岩石仅发生弯曲,并产生裂隙,再往上裂隙更少,仅发生弯曲,形成“竖三带”,即垮落带,裂隙带及弯曲下沉带,本文针对三元福达煤矿15号煤层上覆岩层开采中的裂隙带分布范围,通过采用UDEC 软件进行构建模型,模拟分析,得到对应的分布范围。

1　地质概况
山西三元福达煤业有限公司井田位于山西省武乡县东北部的墨镫乡以北1km 处的墨镫村与常青村一带,行政区划属墨镫乡管辖。

批准开采7~15号煤层,生产规模为120万t /a。

井田内煤层赋存深度不大,煤层倾角平缓,赋存稳定,储量丰富,煤层厚度大,煤质较好,开采条件优越。

主要开采
8号、9号、15号煤层,平均煤层总厚7.54m,可采系数为4.20%.
其中15号煤层位于太原组底部,上距9号煤层47.10~59.62m,平均54.69m,煤层厚3.70~4.97m,平均4.49m,一般含1~4层泥岩及炭质泥岩夹矸,结构简单-复杂,煤层厚度变异系数为8.90%,可采性指数为1。

全井田稳定可采,为一型,煤层顶板多为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩,
底板为砂质泥岩、泥岩、铝土质泥岩。

2　模型的建立及分析
UDEC 数值软件是主要通过离散单元法理论进
行模拟计算的一种软件,在工程领域有着广泛的应用,针对连续介质、非连续介质均有着良好的分析能力。

相对于传统数值模软件FLAC 3D ,对于固态介质在外部影响下的动态响应和变形机理有着本质的优势,针对本文主要研究的矿井覆岩层裂隙变,可以直观地分析出介质变形和渐进破坏的具体过程。

由于三元福达煤矿15号煤层倾角较小,在UDEC 模拟时将计算模型设为水平模型,选取工作面的走向方向(煤壁方向)为X 轴,沿煤壁竖直向上方向为Y 轴方向。

其中,在X 轴方向上,切眼左侧取100m,右侧取300m;在Y 轴方向上,根据煤层地质情况选定煤层底板向下取25m,煤层顶板向上取71m,根据以上数据建立对应的原始平面应力计算模型。

根据15号煤层各边界情况,构建计算模型边界,模型左右边界构建为实体煤岩体,上边界构建为应力边界,下边界构建为底板边界,并简化为位移边界条件,对应方向边界限制同方向位移。

上边应力边界载荷设置为均布载荷,采用摩尔-库伦模型作为岩体计算模型,采用节理面接触-库伦滑移模型作为节理计算模型,设置煤岩层节理为水平和垂直两组节理,随后根据各岩层物理力学参数,在计算模型上添加初始应力和边界条件,并运行至平衡状态。

15号煤层及顶底板各岩层力学参数见表1。

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总第274期
表1　15号煤层及顶底板各岩层力学参数
岩性体积模量/GPa黏聚力/MPa抗拉强度/MPa剪切模量/GPa内摩擦角/(°)密度/(kg·m-3)基本顶20.01-4.0916.68-2567
直接顶11.63-3.424.31-2529
煤5.492.90.722.08281405
底板10.0110.92.154.07232870
根据工作面回采情况,选取工作面开挖长度45m,构建模型图如图1、图2所示。

图1　模型回采200m 后达到平衡状态
图2　围岩收敛变化图
通过模型建立及相关参数设置,设置对应的边界条件,上层应力边界设定为均匀载荷,大小为上部至地面岩层重力之和,底板边界为固定位移边界,左右两侧边界设定为半无限边界,边界范围测定设置为45m。

得到相应的计算模型如图3所示。

图3　UDEC模型图
在确定计算模型后,对整体模型进行网格化处理,并根据具体参数运行整体模型,在平均不平衡力达到最大不平衡力的10000倍时,可认定为达到平衡状态,随后在平衡状态下,对模型进行回采模拟,开挖长度设置为45m,通过模拟软件计算回采各阶段过程,直到再次达到平衡状态,以观察上覆岩层裂隙带分布范围。

回采后在平衡状态工作面顶板屈服破坏图如图4所示,通过图4可知,工作面开挖之后,工作面主要上覆岩层在Y=71m的位置以下产生屈服破坏,其余上覆岩层产生了拉伸破坏,整体上覆岩层在X =80m处达到破坏最大值,垂直位移量达到最大。

图4　屈服破坏图
图5与图6分别为岩层水平应力等值线分布图与水平位移分布图。

通过图5和图6可知,上覆岩层在回采过程中的应力破坏规律,得到裂隙发育随开采活动的发展变化情况。

图5　应力分布图
图6　水平位移分布图
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2022年6月 郝振宁:三元福达煤矿15号煤层上覆岩层裂隙带分布范围的UDEC模拟研究 第31卷第6期
图6　现场矿压监测结果
6　结　语
结合辛置煤矿2-216运输巷沿空掘巷的具体地质条件,通过数值软件探究沿空巷道塑性破坏和浆液扩散特征,并通过现场工业试验及矿压监测检验中空注浆锚索应用效果,结果表明:
1)　2-216运输巷掘进期间两侧围岩受力不均匀,采空区侧煤柱帮及顶底板围岩塑性破坏程度显
著高于实体煤侧,围岩塑性破坏范围已超出锚杆、锚索的有效支护能力。

图7　锚索受力曲线
2)　采用中空注浆锚索对围岩进行加固,合理注浆压力为3~5MPa,注浆时间为30~50s。

3)　工程实际监测结果表明,锚注加固后围岩变形量减小20%以上,顶板锚索承载力现在增大,巷道围岩整体稳定,保障了工作面的安全高效生产。

参考文献:
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[2]　李永刚.中空注浆锚索支护在煤矿深部巷道的应用[J].能源与节能,2021(7):203-205.
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作面超前支护的应用[J].山东煤炭科技,2021,39
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[责任编辑:王伟瑾]
(上接第76页)在回采之前,工作面整体覆岩岩层未受采动影响,水平方向处在应力为零的状态,在工作面回采后,工作面整体上覆岩层主要受到垂直应力破坏,水平应力自上到下表现出逐渐减小的趋势,由图5可知,垂直应力是工作面回采后上覆岩层破坏的主要应力,水平应力为破坏的特征应力。

在回采后,伪顶与直接顶岩体完全垮落,基本顶岩层呈现弯曲下沉趋势,在上覆岩层35.90~71.00m 高度处,产生应力破坏,形成了裂隙带分布范围。

3　结　语
通过应用UDEC 3.0对三元福达煤矿15号煤层工作面上覆岩层裂隙发育过程进行数值模拟,可以清楚地看到,工作面上覆岩层在采动影响下的应力破坏规律,并得到工作面上覆岩层的裂隙带发育过程和分布范围,最终确定裂隙带的高度范围为35.90~71.00m,确立了煤壁支撑影响区域。

[责任编辑:王伟瑾]
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92022年6月 刘建锋院辛置煤矿采空侧高应力巷道加固技术应用研究 第31卷第6期。