煤层群采动裂隙分布及演化规律的数值模拟方案设计

何成亮 谢小平 杨锦 敖富贵 成雁飞 代利红

摘要：UDEC是一种基于非连续体模拟离散单元法的数值计算程序，本次数值模拟是为了揭示试验煤矿4煤层开采后顶底板岩层的应力、位移及裂隙的分布规律，分析采空区的冒落带、裂隙带、弯曲下层带的“三带”范围，从而确定4煤层的裂隙分布和演化规律，为钻孔的布置参数优化提供依据。试验煤矿4号煤层倾角平均为4°，工作面沿走向推进，依次建立了工作面推进方向的水平数值计算模型和工作面倾向模型，并对模型参数进行选取。

关键词：高瓦斯;煤层群;数值模拟;方案设计

引言

UDEC（UniversalDistinctElementCode）是一种基于非连续体模拟离散单元法的数值计算程序。它主要模拟静载或动载条件下非连续介质（如节理块体）的力学行为特征，通过离散块体的组合来反映非连续介质，节理被当作块体间的边界条件来处理，允许块体沿节理面运动及回转。单个块体可以表现为刚体也可以表现为可变形体[1-4]。用UDEC能很好地模拟煤层开挖后顶板冒落、垮落、离层的过程，以工作面走向剖面和倾向剖面为现场模型，建立数值模型，研究工作面上覆岩层运动规律。卸压开采后，周围的煤岩层向采空区移动，采空区上方岩体向采空区方向冒落形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，采空区下方煤岩体向采空区膨胀形成裂隙，使得上下方煤岩体产生应力、透气性、瓦斯压力、位移等变化[5-8]。

煤层瓦斯，又称为煤层气，赋存于煤层之中，近几年来，随着煤炭工业的发展，矿井数量及煤炭产量迅速增加，矿井向深部延伸过程中，一些低瓦斯矿井变为高瓦斯矿井和突出矿井，瓦斯危害越来越严重，频发的瓦斯灾害严重地威胁着矿井工作人员的生命安全，制约着矿井生产的发展。同时，瓦斯又是一种清洁、高效的能源，如果将瓦斯资源安全抽采并加以利用，则能实现能源供应、矿井安全生产和环境保护的统一。

1工程概况

某矿井14301工作面为倾向长壁工作面，为南三采区第一个回采工作面，北面为杜峪村保护煤柱;南面为14302工作面，未开掘;东面为胶泥垄村保护煤柱，西面至南三采区大巷。工作面设计两进一回，为“刀把”型工作面，三条顺槽都与南三集中胶带巷垂直。轨道顺槽1502m（1302+200m），胶带顺槽长1468m，回风顺槽长1463m，工作面切眼宽220m（100m+120m），工作面可采长度为1445m，可采面积为0.298km2。地质储量（Qd）为102.2万t，可采储量（Qk）为94.3万t。

工作面底板标高预计在440～570m之间，工作面上覆地表均为黄土覆盖区，地面标高为855～995m，预计盖山厚度为470～540m，地表由四个近似南北向的冲沟和黄土峁梁相间分布组成，为典型的黄土丘陵地貌，地表附着有苹果树，通往强家塔村的小路，无建筑物等设施。工作面煤厚在2.2～2.7m之间，平均2.45m。煤层呈黑色，结构均一。煤岩组分以镜煤为主，条带状，煤岩类型为光亮型煤。14301工作面整体为一单斜构造，煤层走向320°，倾向SW，倾角3°～6°，平均为4°。工作面地质条件相对简单，预计掘进过程中局部地段会揭露小型断裂构造或煤层变薄带。

根据本采区已采工作面瓦斯资料情况分析，预计正常情况下，14301掘进工作面绝对瓦斯涌出量为3～8m3/min之间，遇特殊地质条件、会发生瓦斯动力现象，瞬间瓦斯浓度会增大好几倍，给安全生产带来严重隐患，发生瓦斯动力现象一般在遇小型构造附近，煤层产状、煤层厚度变化大的地段，以及煤层受地质应力作用变软或煤层结构遭到破坏的地段。

2模型的建立及方案的设计

本次模拟是为了揭示4煤层开采后顶底板岩层的应力、位移及裂隙的分布规律，分析采空区的冒落带、裂隙带、弯曲下层带的“三带”范围，从而确定4煤层的裂隙分布和演化规律，为钻孔的布置参数优化提供依据。沙曲煤矿4号煤层倾角平均为4°，工作面沿走向推进，依次建立工作面推进方向的水平数值计算模型和工作面倾向模型[80]，见图2。

在工作面推进方向，4号煤层工作面基本顶的初次垮落步距为34m，周期来压步距为14m，为模拟初次来压前后和周期来压期间的裂隙演化和应力、位移变化情况，在走向推进方向设计了以下6种模拟方案：1）工作面的推进距离为15m;2）工作面的推进距离为35m;3）工作面的推进距离为50m;4）工作面的推進距离为80m;5）工作面的推进距离为110m;6）工作面的推进距离为140m。

同时，为了研究工作面倾向方向的裂隙及离层情况，建立了倾向数值模型。根据14301综采工作面综合柱状图，结合模拟的目的，建立的数值分析模型如图2，走向模型尺寸为300×55.7m，倾向模型尺寸为380×90m。

3模拟的内容及参数的选取

模拟的内容围绕模拟的目的进行，本次模拟主要是要看在4煤层开采后，顶板冒落、岩层活动、三带分布、裂隙分布、垂直位移、垂直应力、水平应力等的分布情况及上覆岩层活动稳定与开采时间的关系。

根据原始地质资料中各层岩层的不同岩性，试验得到各层岩体物理力面的物理力学参数如表2所示。

4结论

本次数值模拟是为了揭示4煤层开采后顶底板岩层的应力、位移及裂隙的分布规律，分析采空区的冒落带、裂隙带、弯曲下层带的“三带”范围，从而确定4煤层的裂隙分布和演化规律，为钻孔的布置参数优化提供依据。试验煤矿4号煤层倾角平均为4°，工作面沿走向推进，依次建立了工作面推进方向的水平数值计算模型和工作面倾向模型，并对模型参数进行选取。

参考文献：

[1]霍丙杰，范张磊，路洋波，等.低透气性煤层顺层密集钻孔抽采及并管提压系统研究[J].矿业科学学报，2019，4（1）：35-40.

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[3]文虎，樊世星，卢平，等.煤层群上保护层开采保护效果现场考察

[J].煤矿安全，2018，49（3）：155-159.

[4]闫卫红.定向顺层长钻孔瓦斯抽采效果分析[J].煤炭技术，2017，36（12）：164-165.

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[7]董红娟，张金山，李文哲，王岩.顺层定向千米长钻孔抽采半径时变规律研究[J].煤矿安全，2017，48（3）：9-12.

[8]张利军，王志豪.远高位裂隙带长距离钻孔在高瓦斯矿井中的应用[J].煤炭工程，2015，47（5）：55-60.

作者简介：何成亮（2001.03-），男，汉族，贵州省威宁县人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究。

国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：202110977009）