基于UDEC数值模拟的充填开采“两带”发育高度研究

基于UDEC数值模拟的充填开采“两带”发育高度研究

王宝金

（陕西榆林能源集团资源开发有限公司，陕西 榆林 719200）

摘要 本文以河兴梁煤矿3-1煤层及其顶板岩石力学性质为研究对象，基于UDEC研究分析了3-1煤充填开采后覆岩的变形破坏特征。

关键词   充填开采；垮落带；导水裂隙带；覆岩破坏；数值模拟

中图分类号X43;         文献标志码A

1 引言

可持续发展的关键是人与自然和谐相处。人类在开发自然、改造自然过程中，更要珍惜自然，保护自然，才能使自然给人类的生存与发展提供更多的帮助[1]。而煤田开发必须在保护浅层地下水的前提下进行，可持续发展开发煤田的关键是在保护浅层地下水资源的条件下开发煤资源即保水开采[2-4]。本文深入分析河兴梁井田的水文地质条件和充填保水开采条件下的充水条件后，对充填保水开采条件下的覆岩破坏规律进行预测研究。

2导水裂隙带高度数值模拟

2.1工作面开采技术条件

河兴梁井田3-1号煤层的平均厚度为1.79m，煤层起伏变化小，倾角小于1°，直接顶以粉砂岩为主。

3-1煤工作面将采用膏体充填法管理顶板。充填开采等效采高计算公式如下：

式中：h—未充填高度；

      M—煤层采高；

      B —充填体的压缩率。

按照首采面的平均厚度1.79m，充填高度为1.1m～1.4m，未充填高度取0.39m～0.69m，充填体的压缩率取5%，根据上式进行计算得到充填等效采高为0.4m～0.7m。

2.2 离散元数值模型建立

1）计算模型

建立数值计算如图 2-1所示，模型尺寸：2000m×150mm（长×高）。

图2-1 数值计算模型

2.3 数值模拟结果分析

1)不同等效采高下两带发育规律

模拟结果显示（图2-2），当采用垮落法开采时，垮落带高度为7.95m，导水裂隙带高度为33.94m；当等效采高为0.4m时，垮落带高度为4.0m，导水裂隙带发育高度为14.4m；当等效采高为0.5m时，垮落带高度为4.1m，导水裂隙带发育高度为16.3m；当等效采高为0.6m时，垮落带高度为5.2m，导水裂隙带发育高度为18.9m；当等效采高为0.7m时，垮落带高度为5.4m，导水裂隙带发育高度为21.2m，说明降低等效采高能够有效支撑覆岩，限制围岩变形破坏。

图 2-2  不同采高下覆岩变形破坏规律

2）充填开采走向覆岩破坏规律

图2-3为充填开采滞后工作面顶板垮落情况模拟结果。充填开采具有和垮落法开采不同的覆岩形态。采空区充填体对上覆岩层起到了支撑作用，使得顶板与充填体更快的接顶，共同承担垮落荷载。悬顶距由10.2m减小至5.9m，充填体压实后，其受力为1.03～1.25MPa，顶板下沉更加缓和，矿压显现不明显。

图 2-3滞后工作面压应力分布

工作面推进不同距离时采场覆岩裂隙发育情况如下：

（1）3-1煤层开采后，基本顶和上覆岩层发生移动，从而在覆岩中形成采动离层裂隙和竖向破断裂隙，其离层裂隙在岩层间产生，随着工作面的推进，在高度上呈先增加后趋稳的趋势，破断裂隙由岩层破断形成，其随着工作面的推进，在延伸方向上持续增加，在高度上呈先增加后趋稳的趋势。

（2）当工作面推进至400m时，采空区覆岩裂隙整体上呈“梯形”分布，但由于采空区中部垮落岩块被上覆岩层压实，导致其采空区中部裂缝带高度低于采空区两边裂缝带高度，其采空区两边裂缝带高度约17m，采空区中部裂缝带高度约14m，此外，采空区垮落带内既有离层裂隙又有破断裂隙，而基本顶及上覆岩层的离层裂隙最明显。

（3）当工作面推进至800m时，采空区覆岩裂隙向前发育，其垮落带内垮落矸石被压实，导致裂隙数相对下降，基本顶及上覆岩层的裂隙随工作面的推进而向前发育，使其破断裂隙明显增加，其裂缝带发育最大高度约为19m；随着工作面的继续推进，采空区覆岩裂隙高度不再变化，基本稳定在19.5m左右，而离层裂隙和破断裂隙的广度将随着工作面的推进而不断增加。

（4）随着工作面的继续推进，工作面后方采空区覆岩裂隙的发育扩展规律和上位煤层的形态分布规律与工作面推进1200m时的裂隙发育规律和上位煤层形态分布基本一致，只是随着工作面的推进，采空区覆岩裂隙发育广度向前延伸。

工作面推进不同距离时烧变岩下沉分布情况如下：

（1）当工作面推进至400m时，烧变岩的下沉曲线呈“平抛曲线型”分布，其工作面采空区后方70m范围内正上方烧变岩的下沉量随着远离工作面呈线性增长趋势，工作面采空区后方70m外的烧变岩下沉量基本趋于定值，最大峰值为0.38m。

（2）当工作面推进800m时，最大下沉量为0.41m，工作面采空区后方100m外的烧变岩下沉量基本趋于稳定，当工作面推进1200m时，最大下沉量为0.41m，工作面采空区后方100m外的烧变岩下沉量基本趋于稳定；当工作面推进1600m时，最大下沉量为0.41m，工作面采空区后方100m外的烧变岩下沉量基本趋于稳定。

（3）随着工作面的不断推进，下沉曲线形态基本相同，采空区两端70～100m范围内形成“下沉剧烈区”，下沉曲线呈线性增长；采空区中部形成“下沉中性区”，下沉增量小，可认为岩梁发生整体式下沉。

3结论

通过数值计算对河兴梁煤矿充填保水开采覆岩破坏规律进行了研究，得出以下主要结论：

（1）与传统垮落法开采形成的覆岩破坏程度不同，充填开采由于采空区充填体对上覆岩层起到了支撑作用，覆岩移动较缓和，岩层下沉、回转、破断较小，采场覆岩垮落带高度为4.0m～5.4m。

（2）随着等效采高的不断增大，两带发育高度不断增大，导水裂隙带最大高度为21.2m。采场并没有形成导通烧变岩底板的贯穿裂隙，这使得3-1煤与烧变岩层间易形成1至2层以砂岩为主的完好隔水层，有利于保水开采。

（3）群采效应下，采场覆岩裂缝带整体上呈“梯形”分布，垮落带两边的离层裂隙和贯穿裂隙较发育，中部裂隙发育程度较小，且以离层裂隙居多。

（4）沿工作面走向上，随着工作面的不断推进，下沉曲线形态基本相同，采空区两端70～100m范围内形成“下沉剧烈区”，下沉曲线呈线性增长；采空区中部形成“下沉中性区”，下沉增量小，可认为岩梁发生整体式下沉。

参考文献

[1]张喜武. 神东矿区可持续发展战略及其保障系统研究[D]. 辽宁工程技术大学,

[2]范立民. 保水采煤是神腐东胜煤田开发可持续发展的关键[J]. 地质科技管理, 1998,

[3]师本强. 陕北浅埋煤层矿区保水开采影响因素研究[D]. 西安科技大学, 2012.

[4]王双明，黄庆享，范立民，等. 《生态脆弱区煤炭开发与生态水位保护》[J]. 中国煤炭地质, 2011, 23(1): 1.