張　進

(國投晉城能源投資有限公司)

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基于UDEC的水庫下壓煤開采安全性分析

張進

(國投晉城能源投資有限公司)

摘要為分析裴溝煤礦魔洞王水庫下壓煤開采的安全性，利用UDEC數(shù)值模擬軟件建立了走向回采工作面的開采模型，模擬計算得出不同開采厚度條件下上覆巖層破壞發(fā)展過程及對導水裂隙帶發(fā)育高度的影響，并與經(jīng)驗公式計算的結(jié)果對比分析，驗證數(shù)值模擬的正確性。根據(jù)導水裂隙帶發(fā)育高度和地表裂隙發(fā)育情況，分析得出魔洞王水庫下開采安全防水巖柱尺寸，結(jié)果表明，魔洞王水庫下回采是安全可行的。首采的31071工作面已經(jīng)安全通過水庫區(qū)，從而驗證了分析正確性。

關(guān)鍵詞UDEC覆巖破壞導水裂隙帶高度

影響水體下壓煤開采安全性的因素主要是導水裂隙帶發(fā)育高度，當保安煤柱高度不夠或留設(shè)不合理時，有可能發(fā)生水體或者泥沙導通井下或工作面涌水量超限等問題[1]，嚴重影響礦井的安全生產(chǎn)工作。目前國內(nèi)外對裂隙帶發(fā)育高度的研究方法包括理論分析、現(xiàn)場鉆(物)探實測、相似模擬分析和經(jīng)驗公式計算等[2]。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬分析以其計算快捷方便，能夠直觀顯示覆巖破壞的發(fā)展變化過程而應用越來越廣泛。利用UDEC建立數(shù)值模型，分析魔洞王水庫下采煤覆巖破壞特征和導水裂隙帶發(fā)育狀況，對該礦區(qū)進行水庫下采煤安全性分析和合理選擇采高具有重要的參考意義。

1工程概況

裴溝煤礦始建于1960年，是鄭煤集團的主力生產(chǎn)礦井。目前礦井開采的31采區(qū)位于井田東部，主采的二1煤層平均厚約7.8 m。31采區(qū)地表的魔洞王水庫始建于上世紀50年代，為小(二)型，水庫平均深約3.13 m，水域面積為600.6萬m2，覆蓋31采區(qū)中北部大片區(qū)域，壓煤量預計達500余萬t。31采區(qū)共布置7個工作面，大多數(shù)工作面要穿過水庫。工作面與水庫相對位置關(guān)系見圖1。

2數(shù)值模擬

UDEC是針對處理不連續(xù)介質(zhì)的二維離散元程序，該程序基于離散單元法DEM開發(fā)，模型內(nèi)劃分的塊體單元及其節(jié)理面可以被壓縮、擠壓而產(chǎn)生滑動、變形、分離等破壞，能夠形象地顯示節(jié)理巖體的非線性大變形特征。

圖1　31采區(qū)工作面布置與魔洞王水庫相對位置關(guān)系

2.1模型建立

計算模型根據(jù)裴溝煤礦的實際采礦地質(zhì)條件，并考慮計算模型的邊界效應對于模擬開采區(qū)域的影響，確定模型尺寸為1 000 m×300 m(長×高)，見圖2。判斷巖體模型破壞采用mohr-coulomb屈服準則(式1)和Hoek-Brown破壞準則(式2)。

圖2　開采模型

(1)

(2)

式中，σ1，σ3分別為最大、最小主應力，MPa；c為黏聚力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)；σci為單軸抗壓強度，MPa；m，s分別為反映巖石的軟硬程度和破碎程度的經(jīng)驗參數(shù)。

2.2模型力學參數(shù)

根據(jù)裴溝礦31采區(qū)地質(zhì)鉆孔柱狀圖資料確定模型各上覆巖層及其層位關(guān)系。參考該礦實測巖石力學參數(shù)，依據(jù)Hoek-Brown破壞準則確定計算模型巖體及節(jié)理的物理力學參數(shù)[3]，見表1、表2。

表1　巖體力學參數(shù)

表2　節(jié)理力學參數(shù)

2.3模擬結(jié)果分析

計算模型均以20m為計算步距，分別模擬采高為3,5和7.5 m時上覆巖層的破壞狀況。用豎向位移云圖表示覆巖垮落和裂隙發(fā)育，根據(jù)劃分的離散元塊體垮落、離層情況，判斷覆巖發(fā)展破壞和裂隙發(fā)育狀況[4],見圖3。

圖3　不同采高時上覆巖層堅向位移變化云圖　　由圖3可知：

(1)當采高為3 m時，工作面從80 m推進到100 m，覆巖破壞高度基本保持在42 m；當采高為5 m 時，工作面從100 m推進到140 m，覆巖破壞高度基本保持在55 m；而當采高為7.5 m時，工作面從140 m推進到180 m，覆巖破壞高度基本保持在74 m。這表明采高分別為3，5，7.5 m時，導水裂隙帶發(fā)育高度分別為42，55，74 m。這也說明覆巖破壞有時間和空間的發(fā)展過程，在覆巖充分破壞以前，裂隙發(fā)育隨著工作面的推進不斷向上發(fā)展，而當覆巖充分破壞以后，裂隙發(fā)育高度基本保持不變。

(2)不同采高條件下覆巖破壞形態(tài)均由上凸形逐漸向馬鞍形過渡，且在覆巖破壞高度達到充分后，馬鞍形的破壞形態(tài)更加明顯。這是由于隨著工作面的推進，覆巖先后發(fā)生垮落破壞，當回采過的空間達到一定程度后，上部巖層不再破斷而產(chǎn)生彎曲下沉，并作用在已垮落的巖體上，下部已垮落巖體受上部巖層的壓實作用，覆巖破壞過程趨于穩(wěn)定，部分裂隙逐漸閉合，裂隙高度略有下降。而在工作面端部，受超前支撐壓力作用，覆巖破壞劇烈，裂隙發(fā)育高度較大，從而在形態(tài)上表現(xiàn)為裂隙發(fā)育中間低兩端高的馬鞍形[5]。

(3)根據(jù)裂隙高度與采高的關(guān)系，采高為3 m時，裂采比(裂隙帶發(fā)育高度與采高之比)為14；采高為5 m時，裂采比為11；采高為7.5 m時，裂采比為9.87，即隨著采高的增加，裂隙帶發(fā)育高度與采高之比逐漸減小。

3水庫下壓煤回采安全性分析

3.1導水裂隙帶發(fā)育高度計算

分析31采區(qū)內(nèi)鉆孔柱狀圖可知，該采區(qū)上覆巖層組成主要為中粒砂巖、細粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖等。綜合分析各巖層組分，砂巖、粉砂巖、泥巖組成比例約為0.34∶0.08∶0.58，覆巖類型為軟弱偏中硬。

利用經(jīng)驗公式(表3)計算采高分別為3，5和7.5 m時導水裂隙帶發(fā)育高度，結(jié)果見表4。

表3　緩傾斜厚煤層分層開采導水裂隙帶計算公式

注：ΣM為累計采厚，ΣM<15 m；M為單層采厚，M<3 m；±為中誤差。

表4　導水裂隙帶高度計算結(jié)果

3.2模擬結(jié)果與經(jīng)驗公式計算結(jié)果對比

對比分析不同采高時數(shù)值模擬與經(jīng)驗公式計算得出的導水裂隙帶發(fā)育高度，可以看出，在采高為3和5 m時，數(shù)值模擬與經(jīng)驗公式計算結(jié)果非常接近，而采高為7.5 m時，數(shù)值模擬計算值高于經(jīng)驗公式計算值。由于經(jīng)驗公式是前人基于以往分層開采和普采的統(tǒng)計資料分析確定，對于綜采工作面有一定的局限性。實測和理論分析都表明，隨著采高的增大，綜采工作面覆巖破壞強度和裂隙發(fā)育高度與分層開采和普采相比明顯增大。這說明利用UDEC數(shù)值模擬研究覆巖破壞特征比利用經(jīng)驗公式具有更廣泛的適用性，分析計算的結(jié)果也更真實可靠。

3.3防水巖柱高度分析

防水煤巖柱指開采煤層頂板至地面水體底界之間的巖層整體。其防隔水性能與該段巖柱的含水性、隔水性及抵抗采動裂隙產(chǎn)生的能力有關(guān)，防水煤巖柱的安全高度是判斷水體下采煤是否安全的重要指標。防水煤巖柱高度應大于導水裂隙帶與保護層厚度之和，計算公式為

(3)

式中,Hsh為防水巖柱高度,m；Hli為導水裂隙帶高度,m；Hb為保護層厚度,m；h為地表裂縫深度,m。

利用建立完備的開采沉陷預計模型[6]，推導得出回采后表土層裂縫臨界水平變形值和裂縫發(fā)育極限深度的估算公式：

(4)

(5)

式中,εJ為計算裂縫臨界水平變形值,mm;h為計算裂縫極限深度,m;c為黏聚力,MPa；φ為內(nèi)摩擦角,(°);μ為泊松比;E為彈性模量,GPa；γ為巖土層容重,kN/m3。

根據(jù)31采區(qū)表土層的物理力學性質(zhì)[7]，E=13.1 MPa,c=0.029 MPa,μ=0.3,φ=18°,γ=15.8 kN/m3,經(jīng)計算，回采后地表裂縫臨界水平變形值可達5.5 mm，裂縫發(fā)育深度約3.7 m，考慮安全因素，裂縫發(fā)育深度取6 m。

依據(jù)裴溝礦軟弱偏中硬的巖層性質(zhì)，保護層厚度Hb取一次開采厚度的6倍[8]，分析31采區(qū)鉆孔柱狀圖可知，煤層埋深在水庫上部約204 m，中部約252 m，下部約394 m。不同采高時防水巖柱高度與上覆巖層厚度的對比關(guān)系見表5。

由表5可知，開采煤層上覆巖層的最小厚度均遠大于需要留設(shè)的防水巖柱的高度，且水庫底有約18 m厚的第四系黏土作為隔水層，表明魔洞王水庫下采煤是安全可行的。

表5　防水巖柱與煤層上覆巖層厚度對比關(guān)系

431071工作面試采

目前31071試采工作面已經(jīng)回采完畢，采高為5 m，通過分析井下和地表的觀測資料，在回采期間工作面沒有出現(xiàn)涌水量超限現(xiàn)象，地表水庫水體也沒有受到回采的影響，這表明分析結(jié)果是準確的、可靠的。

5結(jié)論

根據(jù)裴溝煤礦的覆巖賦存特點，利用UDEC數(shù)值計算軟件模擬分析得出不同回采厚度對上覆巖層破壞和導水裂隙帶發(fā)育高度的影響，并實現(xiàn)了覆巖發(fā)展破壞過程的可視化；對比分析數(shù)值模擬結(jié)果和經(jīng)驗公式計算結(jié)果，表明UDEC數(shù)值模擬具有更廣泛的適用性和準確度；分析得出魔洞王水庫下采煤防水煤巖柱尺寸，結(jié)合31采區(qū)的巖層賦存特征，表明魔洞王水庫下開采是安全可行的；首采的31071工作面已安全通過水庫庫區(qū)，從而驗證了分析是正確的、可靠的。

參考文獻

[1]康永華，靳仁昌.水體下放頂煤開采研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].煤礦開采,2003,8(1):15-18.

[2]盛佳，李向東.基于Hoek-Brown強度準則的巖體力學參數(shù)確定方法[J].采礦技術(shù),2009,9(2):12-14.

[3]曾先貴，李文平，李洪亮等.綜放開采近斷層導水裂隙帶發(fā)育規(guī)律研究[J].采礦與安全工程學報,2006,23(3):306-310.

[4]張玉軍，李鳳明.高強度綜放開采采動覆巖破壞高度及列席發(fā)育演化監(jiān)測分析[J].巖石力學與工程學報,2011,30(S1):2994-3001.

[5]國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2000.

[6]吳侃,黃珍珍,王欣.礦山開采沉陷的完備預計模型[J].煤礦開采,2008,11(4):4-6.

[7]王金啟.裴溝煤礦水體下放頂煤開采安全性分析[J].中州煤炭,2008(1):18-19.

[8]陳俊杰，郭文兵，鄒友峰.大型水體下頂水安全開采的可行性研究[J].中國安全科學學報，2011,21(2):57-62

(收稿日期2015-11-23)

張進(1987—)，男，助理工程師，碩士，048026 山西省晉城市鳳臺東街1188號。