姜京福 劉志剛 藺成森

(1.山東能源淄礦集團新河礦業(yè);2.山東唐口煤業(yè)有限公司;3.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院)

基于離散元方法的深部采面“兩帶”高度研究*

姜京福1，2劉志剛3藺成森2

(1.山東能源淄礦集團新河礦業(yè);2.山東唐口煤業(yè)有限公司;3.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院)

根據(jù)某礦1307工作面特點，采用離散元數(shù)值模擬方法，建立了數(shù)值計算彈塑性平面本構模型，對上覆巖層應力、位移、塑形變形開展了系統(tǒng)研究。結果表明，1307工作面開采后在采空區(qū)中心向上依次為拉應力區(qū)、拉壓應力交變區(qū)和壓應力區(qū)，而在煤壁處及向上均為壓應力區(qū)；此外，不同巖性應力分布情況不同，在砂巖中應力集中程度很高；導水裂縫發(fā)育高度為48.1 m，冒落帶高度為14.6 m。結果為工作面安全開采提供了理論依據(jù)。

離散元方法 UDEC 數(shù)值模擬 裂隙帶 冒落帶

煤炭工業(yè)是我國國民經濟的支柱產業(yè)，近幾年能源多元化已經成為發(fā)展主導，尤其是核能、風能、太陽能等新能源的發(fā)展對能源結構調整產生了一定影響，但我國煤炭資源較為豐富，低廉開采成本使煤炭在一次能源消耗依然占到了74%左右[1]。然而，煤礦地下開采受地下水影響較大[2]，開采使上覆含水巖層受影響后會出現(xiàn)導水情況，威脅工作面安全開采，因此，對于工作面回采上覆巖層導水裂隙帶的研究至關重要。

現(xiàn)有裂隙帶的研究方法主要包括理論計算、現(xiàn)場觀測與數(shù)值模擬[3]，數(shù)值模擬具有極為明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在處理速度、可操作性、仿真能力等方面，上覆巖層運移過程的數(shù)值模擬可以對不同頂板條件下覆巖運動進行簡便化研究，極大程度減少研究成本。本文基于數(shù)值模擬方法，采用UDEC分析軟件對1307工作面開采后上覆巖層破壞范圍進行分析，主要研究采場范圍內應力分布與塑性區(qū)變化，最終得出深部工作面開采后上覆冒落帶與裂隙帶的發(fā)育情況。

1 工作面概況

某礦主井、副井、風井深度均超過千米，第一水平已接近960 m，屬于典型深部礦井。3煤層1307工作面是1采區(qū)的第7個工作面，上區(qū)段前工作面為條帶開采，采120 m，留100 m。1307工作面位于西部回風大巷以北，上區(qū)段100 m處為1306采空區(qū)。工作面上方無可采煤層，下方6煤和16煤均未開采，但上述2層煤距離1307工作面最近為77 m。工作面整體上為單斜構造，煤層分布呈北高南低，工作面埋深為750～950 m，直接頂、底板均為泥巖，抗壓強度為20 MPa左右，工作面頂?shù)装鍘r性及特征見表1。

表1 煤層頂?shù)装鍘r性及特征

2 覆巖破壞形態(tài)數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬方法及力學本構模型的選取

UDEC數(shù)值分析軟件運用離散元計算方法[4]，該方法在單元體接觸面的分析與研究層面加入了非連續(xù)的力學計算程序，使得UDEC數(shù)值分析軟件在材料模型特征分析上具有了更為豐富的優(yōu)點。在巖石研究方面，UDEC數(shù)值分析軟件充分考慮了巖石內部存在的各類裂隙情況，包括巖石內部的原生與次生裂隙。該軟件在煤礦領域應用較為廣泛，尤其是采煤工作面上覆巖層運移過程的研究方面，因此，本文選擇UDEC作為數(shù)值模擬計算軟件。

在對工作面上覆巖層進行力學模擬分析研究時，首先將工作面實際情況進行簡化，構建有利于系統(tǒng)研究的力學模型。根據(jù)1307工作面實際開采條件，采用平面應變模型較為合適[5]，最終選擇二維彈塑性平面模型開展數(shù)值模擬研究。

2.2 數(shù)值計算模型建立

1307工作面為條帶開采工作面，為了簡化研究，考慮到邊界效應影響[6-7]，設置數(shù)值模型長500 m，高90 m，計算模型X方向設置位移為0，Y方向下部設置位移為0，Y方向上部設置為自由邊界，按照工作面實際平均埋深施加上覆巖層荷載[8-9]，巖層計算模型如圖1所示。

圖1 巖層計算模型

巖石材料屬于彈塑性范疇[10]，嚴格來說可以歸類為脆性材料，在所受荷載達到材料屈服強度時，該材料會發(fā)生破裂。該類材料的性質符合莫爾-庫侖典型準則，該準則在數(shù)值模擬計算中主要考慮的力學參數(shù)包括巖石材料的彈性模量、密度、黏聚力、泊松比、抗拉強度以及內摩擦角，相關力學參數(shù)見表2。

表2 工作面巖層力學參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬結果分析

2.3.1 工作面開采后應力分布分析

工作面開采結束形成采空區(qū)后圍巖應力分布情況見圖2?？梢钥闯觯?/p>

(1)1307上方不同覆巖的應力分布情況并不相同，而且存在較大差異，主要體現(xiàn)在不同強度下的巖石應力集中情況不同，在強度較高的砂巖中應力集中情況較為明顯，而在強度較低的巖石中應力集中情況較不明顯，如砂質泥巖、泥巖中應力集中較低，而且還可以發(fā)現(xiàn)在不同強度巖層交界面處，應力集中情況最為明顯。

圖2 工作面開采后應力分布云圖

(2)最大主應力分布在1307采空區(qū)Y向上部分，形成了壓應力區(qū)域、拉壓應力交變區(qū)域和拉應力區(qū)域。

(3)最大主應力中壓應力達到33.4 MPa，拉應力達到97.33 MPa，壓應力主要發(fā)生在垮落帶位置，在采空區(qū)位置出現(xiàn)了明顯的應力下降，伴隨而來的是頂板的下沉與上覆巖層的裂隙。最小主應力中壓應力達到15.61 MPa，拉應力達到0.166 MPa，可見在最小主應力方向上拉應力相對最大主應力方向出現(xiàn)了上升，而壓應力相對出現(xiàn)下降，主要由于長壁開采工作面開采后出現(xiàn)了應力重分布。

(4)垂直應力主要在工作面兩側煤壁頂?shù)装鍘r層中出現(xiàn)了應力集中，在兩側煤壁內應力集中情況明顯，煤柱頂板砂巖應力集中系數(shù)也較大。

(5)水平應力主要在1307工作面兩側煤壁頂板和采空區(qū)Y方向最上層巖層，在細砂巖的底部出現(xiàn)了應力集中。

根據(jù)應力分布狀態(tài)的分析研究，冒落帶高度可以認為是Y方向垂直位移突變高度，主要是指應力分布線密集處。導水裂隙帶高度[11]可以認為是上覆巖層受拉載荷超過巖層的抗拉強度而產生裂隙的區(qū)域高度。

2.3.2 工作面開采后變形分析

圖3為模型變形，圖4為巖層裂隙擴展圖。可知，單元發(fā)生拉破壞，在實際工作面回采過程中，上覆巖層中所產生的裂隙在重構應力場作用下壓實，但巖石材料的剛度在理論上可以認為具有較大值，所以上述裂隙并不能完全產生閉合，因此，將已經出現(xiàn)過裂隙的上覆巖層看作是導水裂隙帶。

圖3 模型變形

圖4 巖層裂隙擴展圖

圖5為工作面上覆巖層塑性區(qū)域分布示意，可以看出，受拉壓應力分布的影響，存在拉破壞區(qū)與拉壓破壞區(qū)，根據(jù)巖石受力特征及破壞形式，可以判別其中拉破壞區(qū)為冒落帶，高約14.6 m，拉壓破壞區(qū)為裂隙帶，高約48.1 m。

圖5 塑性區(qū)域分布

煤層采全高時巖層垂直位移變化情況見圖6。可以看出，在1307工作面回采后形成的采空區(qū)上方區(qū)域出現(xiàn)了較為明顯的垂直位移變化，最大位移變化量約4.1 m，主要分布在采空區(qū)上方14.6 m區(qū)域內，工作面周圍處于原巖狀態(tài)，遠場區(qū)域受工作面回采影響較小。還可以看出工作面上覆巖層位移變化梯度較大，甚至出現(xiàn)了明顯的位移突變區(qū)域，將突變區(qū)域確定為裂隙帶與冒落帶分界區(qū)。

圖6 垂直位移云圖

2.3.3 “兩帶”分析結果

根據(jù)模擬結果分析，以上覆巖層拉壓應力變化界限及位移突變區(qū)域來確定裂隙帶與冒落帶分界區(qū)。1307工作面回采后上覆冒落帶及導水裂隙帶高度模擬結果見表3。

依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》中關于工作面開采后上覆巖層冒落帶與導水裂縫帶高度的計算方法可以求得1307工作面回采后上覆巖層冒落帶高度為8.5～14.9 m，工作面上覆巖層導水裂隙帶高度為35.1～49.2 m。計算結果與UDEC數(shù)值模擬結果基本一致，因此，可以確定該模擬分析方法是有效的。

表3 1307工作面冒落帶及導水裂隙帶高度模擬結果

3 結 論

根據(jù)1307工作面開采特點，結合典型數(shù)值模擬研究經驗，選擇二維彈塑性平面模型，并采用離散元計算軟件UDEC模擬分析，上覆巖層內應力分布在Y方向上有規(guī)律性，并產生了壓應力區(qū)域、拉壓應力交變區(qū)域和拉應力區(qū)域，而且還進一步發(fā)現(xiàn)不同強度巖層出現(xiàn)了不同程度的應力集中；通過塑性區(qū)分布、巖層裂隙擴展規(guī)律得到1307工作面開采后覆巖導水裂縫發(fā)育高度為48.1 m，通過垂向位移規(guī)律得到1307工作面開采后冒落帶高度為14.6 m，模擬結果與規(guī)程計算結果基本吻合，說明運用UDEC數(shù)值模擬方法預測覆巖導水裂隙帶高度是可行的，為相似工作面上覆裂隙帶與冒落帶發(fā)育高度預測提供了較為有效的研究方法。

[1] 靳軍成.煤炭行業(yè)發(fā)展趨勢探析[J].中國煤炭工業(yè),2014(1)：53-54.

[2] 黃 鈴,王 軍,吳德義.巨厚砂巖頂板“三帶”范圍的數(shù)值模擬與界定[J].安徽建筑大學學報,2015,23(2):39-42.

[3] 張發(fā)旺,侯新偉,韓占濤,等.采煤塌陷對土壤質量的影響效應及保護技術[J].地理與地理信息科學,2003,19(3):67-70.

[4] 吳亞州.采動影響下采空區(qū)頂板移動規(guī)律及仿真模擬探究[D].淮南：安徽理工大學,2015.

[5] 劉志剛,李錦秀,張貴銀.深部沖擊危險性特厚煤層開采技術研究[J].煤炭技術,2015,34(10):26-28.

[6] 杜蜀賓.濟寧太平煤礦建筑物下條帶開采與充填開采比較研究[D].西安：西安建筑科技大學,2007.

[7] 吳瑞葉,郜普濤,劉冰晶.3上509大采高工作面覆巖導水裂縫帶數(shù)值模擬研究及應用[J].科技信息,2012(10):380-381.

[8] 馬少杰.煤層開采覆巖破壞數(shù)值模擬研究[J].煤礦安全,2012,43(12):54-56.

[9] 馬德鵬,欒元重,馬少杰.覆巖導水斷裂帶發(fā)育規(guī)律離散元模擬[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2010,37(5):16-18.

[10] 楊偉峰.薄基巖條件下條帶開采模擬方法研究[J].采礦技術,2006(3):244-246.

[11] 陳 輝.淺埋煤層協(xié)調開采控制導水裂隙帶高度模型研究[D].西安：西安科技大學,2014.

*江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目(編號：KYLX16_0556)。

2016-10-15)

姜京福(1984—)，男，副礦長，工程師，272400 山東省濟寧市嘉祥縣疃里鎮(zhèn)。