李召輝

（中煤資產(chǎn)管理集團(tuán)有限公司，北京102249）

目前，多煤層組開(kāi)采離散元數(shù)值計(jì)算的研究難度較大，很難實(shí)現(xiàn)多個(gè)采空區(qū)的位移場(chǎng)、速度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和裂隙區(qū)的整體研究[1-2]，尤其是開(kāi)采保護(hù)范圍對(duì)于瓦斯治理具有較大的指導(dǎo)意義[3-5]。因此，本文通過(guò)設(shè)定不同的工作面長(zhǎng)度，采用UDEC 數(shù)值計(jì)算軟件展開(kāi)多個(gè)采空區(qū)的位移場(chǎng)、速度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和裂隙區(qū)的整體研究，并得到開(kāi)采保護(hù)范圍的定量區(qū)域。

1 工作面概況

平朔井工一礦年產(chǎn)800 萬(wàn)t/a，采用斜立井混合開(kāi)拓方式，中央分列式通風(fēng)，回采工作面頂板采用垮落式管理方法。礦井主采C1、C3、C5 煤層，屬近水平煤層，煤層賦存穩(wěn)定，單斜構(gòu)造，采區(qū)范圍內(nèi)無(wú)大的斷裂，也無(wú)巖漿侵入現(xiàn)象。C1 煤層厚度為12 m，煤層中間存在1 層2 m 厚的炭質(zhì)泥巖夾矸，煤層頂板為粗砂巖，底板為泥巖；C3 煤層厚度為15 m，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，頂板主要為泥巖，底板為細(xì)砂巖；C5 煤層厚度為3 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。煤層頂板多為細(xì)砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖。C1煤層下方分別為C3 煤層與C5 煤層，距離分別為26.33 m、30.68 m。

2 數(shù)值模型的建立

為了獲取多煤層開(kāi)采下應(yīng)力場(chǎng)、速度場(chǎng)、位移場(chǎng)和裂隙場(chǎng)的演化規(guī)律，借助UDEC 離散元數(shù)值計(jì)算軟件構(gòu)建計(jì)算模型，模型的尺寸大小為300 m×142.68 m，自上而下分別是細(xì)砂巖、泥巖、C1 煤、粉砂巖、C3 煤、炭質(zhì)泥巖、C5 煤及泥巖，數(shù)值計(jì)算模型如圖1 所示。煤巖物理參數(shù)及節(jié)理參數(shù)見(jiàn)表1 ～表2，模型的左右和底部設(shè)定煤巖塊體運(yùn)動(dòng)、位移速率為0。頂部設(shè)定應(yīng)力初始值為-11.9196 MPa。

表1 煤巖物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of coal and rock

表2 煤巖節(jié)理力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of coal rock joints

圖1 數(shù)值計(jì)算模型Fig.1 Numerical calculation model

先后開(kāi)采C5、C3 及C1 煤，重點(diǎn)研究工作面傾向方向采動(dòng)影響規(guī)律，分別為5103、3102 及1101 工作面，按照表3 的設(shè)計(jì)思路實(shí)施數(shù)值模擬。

表3 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)Table 3 Numerical simulation scheme design

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

按照表3 的設(shè)計(jì)思路，在同等模型尺寸、相同邊界條件及相同應(yīng)力賦值條件下，實(shí)施工作面的開(kāi)挖，得到σXY、σZZ應(yīng)力云圖，如圖2 所示，XDISP和YDISP 云圖，如圖3 所示，Xvel 和Yvel 云圖如圖4 所示，裂隙場(chǎng)分布規(guī)律如圖5 所示。

圖3 XDISP 和YDISP 云圖Fig.3 XDISP and YDISP cloud images

圖4 Xvel 和Yvel 云圖Fig.4 Xvel and Yvel cloud images

圖5 煤巖裂隙分布示意Fig.5 Fracture distribution of coal and rock

3.1 應(yīng)力場(chǎng)

隨著工作面持續(xù)的推進(jìn)，底部采空區(qū)空間逐步縮小并被壓實(shí)，而中部采空區(qū)出現(xiàn)較大的空隙區(qū)，頂部因煤巖塊體下沉而壓實(shí)，中部和底部工作面兩端頭出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，SXY 峰值集中在-5～-10 MPa，SZZ 峰值集中在-16～-20 MPa；此外，模型頂部局部卸壓區(qū)，SXY 應(yīng)力值集中在-5～0 MPa。

3.2 位移場(chǎng)

隨著1101 工作面長(zhǎng)度增大，XDISP 和YDISP峰值逐步增大，尤其是YDISP 變化程度明顯高于XDISP，頂部采空區(qū)下沉明顯，最大下沉量發(fā)生在模型中上部，XDISP 峰值為-4.0 m，YDISP 峰值集中在-16～-18 m。

3.3 速度場(chǎng)

隨著1101 工作面長(zhǎng)度增大，煤巖塊體移動(dòng)速率集中區(qū)域從模型頂部向中部采空區(qū)兩側(cè)變化[6]，當(dāng)1101 工作面長(zhǎng)度為60 m 時(shí)頂部煤巖Xvel 峰值為-0.4 m/s；當(dāng)1101 工作面長(zhǎng)度為200 m 時(shí)，頂部煤巖Xvel 峰值集中在0.6～0.8 m/s，Yvel 峰值為-6 m/s，工作面兩側(cè)Yvel 峰值為-7 m/s。

3.4 裂隙場(chǎng)

隨著模型頂部1101 工作面長(zhǎng)度的增大，中部采空區(qū)存在明顯的空隙區(qū)，底部采空區(qū)被逐步壓實(shí)，裂隙演化規(guī)律逐步從采空區(qū)底部—中間端部—頂部壓實(shí)的近似對(duì)稱裂隙帶[7]。

4 多煤層保護(hù)范圍確定

隨著1101 工作面長(zhǎng)度的增大，煤層保護(hù)范圍逐步變大，如圖6 所示，左側(cè)開(kāi)采保護(hù)角為21°～76°，右側(cè)開(kāi)采保護(hù)角為25°～69°。

圖6 煤巖裂隙分布示意Fig.6 Fracture distribution of coal and rock

5 結(jié)語(yǔ)

多煤層組開(kāi)采時(shí)，最底部采空區(qū)逐步被壓實(shí)，頂部煤巖塊體逐步下沉，應(yīng)力集中主要分布在工作面兩端部，SZZ 峰值明顯高于SXY；位移場(chǎng)變化主要集中在上部采空區(qū)，YDISP 變化幅度大于XDISP；采空區(qū)上方巖塊高速率區(qū)域逐步向工作面端部轉(zhuǎn)移，Yvel 速率明顯高于Xvel；隨著頂部工作面開(kāi)采長(zhǎng)度的增大，被保護(hù)層保護(hù)范圍逐步增大。