采動覆巖裂隙動態(tài)演化規(guī)律的三維模擬

采動覆巖裂隙動態(tài)演化規(guī)律的三維模擬史博文;白建平;郝春生;楊昌永;姚晉寶【摘要】Basedonthediscreteelementmethodofdiscontinuousmedia,thewholeprocessanalysisofoverlyingstratummigrationandfractureevolutionincoalminingprocessof3213faceofXinjingMineiscarriedoutbyusing3Dnumericalsimulationsoftware.Theresultsshowthattheshapeandsizeoffracturedenrichmentareaofoverburdenrockwillchangewiththeadvancingofworkingface.Attheinitialstageofworkingfaceadvancing,ittakesontheshapeof\"arch\".Whenworkingfaceadvancesto80m,ittakesontheshapeof\"hollowcirculararch\"duetothegradualcompactionofthecentralfissureinthegoaf,andbecomes\"circularring\"aftertheminingiscompleted,andtherearesomedifferencesinthesizeofthefractureenrichmentzonesatdifferentpositionsinthe\"circle\".Themorphologyofthefractureenrichmentareaatbothendsofthegoaftendencyisapproximatelythesame,andalongtheminingdirection,thewidthandheightofthefissureenrichmentareaabovetheworkingfaceisslightlylargerthantheopen-offcut.%以新景礦3213工作面為背景，基于非連續(xù)介質(zhì)的離散元方法,對工作面回采過程中覆巖運移和裂隙演化規(guī)律進行了三維全過程數(shù)值模擬.研究結果表明:覆巖的裂隙富集區(qū)形態(tài)、大小范圍會隨著工作面的推進發(fā)生變化;在工作面推進初期呈\”拱形\”形態(tài)，當推進到80m時由于采空區(qū)中部裂隙逐漸壓實而呈'”中部鏤空的圓拱型\"形態(tài)，開采完成后則成\”圓環(huán)狀\”形態(tài);且在此\”圓環(huán)'”中不同位置的裂隙富集區(qū)大小也存在一定差異，在采空區(qū)傾向兩端的裂隙富集區(qū)形態(tài)近似相同，而沿工作面走向,工作面上方裂隙富集區(qū)的寬度和高度略大于開切眼處.【期刊名稱】《煤礦安全》【年(卷)，期】2019(050)007【總頁數(shù)】4頁(P259-262)【關鍵詞】數(shù)值模擬;覆巖運移;裂隙富集區(qū);離散元;數(shù)值模擬【作者】史博文;白建平;郝春生;楊昌永;姚晉寶【作者單位】河南理工大學能源科學與工程學院，河南焦作454000;易安藍焰煤與煤層氣共采技術有限責任公司,山西太原030000;山西藍焰煤層氣集團有限責任公司,山西晉城048006;易安藍焰煤與煤層氣共采技術有限責任公司仙西太原030000;煤與煤層氣共采國家重點實驗室仙西晉城048000;易安藍焰煤與煤層氣共采技術有限責任公司,山西太原030000;煤與煤層氣共采國家重點實驗室,山西晉城048000;易安藍焰煤與煤層氣共采技術有限責任公司仙西太原030000;煤與煤層氣共采國家重點實驗室,山西晉城048000【正文語種】中文【中圖分類】TD325我國大部分礦區(qū)煤層瓦斯賦存具有〃三高三低”的特征，尤其是低滲透性使煤層瓦斯預抽效果不甚理想，故以采動卸壓瓦斯抽采為主。卸壓瓦斯主要積聚在采空區(qū)上方的裂隙富集區(qū)，因此確定工作面回采完成后覆巖裂隙發(fā)育形態(tài)、大小、范圍尤為重要。錢鳴高、許家林采用模型實驗、離散元模擬的方法揭示了工作面覆巖采動裂隙的兩階段發(fā)展規(guī)律與“O”型圈分布特征［1］；袁亮院士通過研究確立了低透氣性煤層群瓦斯高效抽采的高位環(huán)形裂隙體及其判別方法［2-3］；林海飛基于“O”型圈理論，提出了〃采動裂隙圓角矩形梯臺帶”工程簡化模型，并對其動態(tài)演化過程進行了分析［4-5］；李樹剛教授基于巖層控制關鍵層理論，建立了考慮采高及第一亞關鍵層與煤層頂板間距的采動裂隙橢拋帶動態(tài)演化數(shù)學模型［6-8］；吳仁倫［9-10］、朱迅國［11］、許滿貴［12］、高喜才［13］、喬小龍［14］、孫波［15］采用相似模擬、數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測、理論分析等多種方法研究了煤層采高、工作面面寬、煤層傾角、埋深等不同條件下的覆巖運動和裂隙發(fā)育規(guī)律。由于覆巖采動裂隙受眾多因素影響，難以通過1種模型對所有工作面進行描述；且以往的研究多是以平面情況下的工作面作為研究對象，忽略了側向應力對覆巖運動的影響，因此以新景礦3213工作面為背景，選用離散元數(shù)值模擬軟件CDEM進行三維數(shù)值計算，對回采過程中覆巖運移和裂隙演化的動態(tài)過程進行分析。1工程概況以新景礦3213工作面為例，工作面長210m，走向推進長度1620m,開采區(qū)內(nèi)煤層平均厚度為2.5m,傾角1。~3。，整體賦存穩(wěn)定，結構簡單，一般含1層夾石；煤層以鏡煤、亮煤為主，內(nèi)生裂隙發(fā)育。煤層上覆頂板巖層的構成為砂質(zhì)泥巖和粗粒砂巖，上覆基巖厚度為460~520m。采場圍巖和煤層埋藏關系和物理力學性質(zhì)見表1。表1煤層及覆巖物理力學性質(zhì)巖性層厚/m密度/(g-cm-3)彈性模量/GPa抗拉強度/MPa泊松比砂質(zhì)泥巖中粒砂巖砂質(zhì)泥巖中粒砂巖砂質(zhì)泥巖中粒砂巖砂質(zhì)泥巖中粒砂巖砂質(zhì)泥巖3#煤層砂質(zhì)泥巖中粒砂巖砂質(zhì)泥巖44.0010.0044.006.009.501.806.806.003.302.503.202.9010.802.482.652.342.652.342.652.342.812.481.352.482.812.4825.014.514.114.514.114.514.131.025.02.9725.031.025.01.103.201.003.201.003.201.104.101.100.381.104.101.100.310.270.240.270.240.270.310.230.310.280.310.230.312數(shù)值計算模型及參數(shù)根據(jù)3213綜采工作面的地質(zhì)條件和覆巖實際厚度，確定模型x、y、z方向的尺寸為250mx96.8mx200m,模型共分為11層，共包含543437個節(jié)點，422183個塊體。3213工作面煤層埋深480m，模型中包含的上覆巖層厚度為77.6m,未包含的400.4m覆巖采用邊界載荷代替，計算得施加載荷為10MPa。模型四周采用橫向位移約束，底面為固定約束。模型采用莫爾-庫倫屈服準則。煤層開挖尺寸為150mx2.5mx100m,分為30次開挖，每次開挖沿走向(x軸方向)推進5m。數(shù)值模型如圖1。圖1數(shù)值模型3計算結果分析3.1覆巖運動及位移結果分析為了分析回采過程中的覆巖運動情況，選取工作面推進到15、35、45、55、75、85、100、150m的位移云圖進行分析。工作面推進過程中覆巖位移云圖如圖2。圖2工作面推進過程中覆巖位移云圖從開切眼開始，隨工作面推進距離的增大，直接頂懸空距變大，受自重影響發(fā)生直接頂彎曲，當懸空距達到極限后，直接頂發(fā)生破斷，垮落充填采空區(qū)，形成垮落帶，如圖2(a)。當工作面推進到35m時，基本頂中粒砂巖初次失穩(wěn)，發(fā)生初次垮落，造成工作面初次來壓，如圖2(b)。當工作面推進到45m時，基本頂發(fā)生第1次周期垮落，垮落帶上方形成砌體梁結構，垮落巖層高度為11.3m,離層裂隙發(fā)育到煤層上方16.1m,如圖2(c)。當工作面推進到55m時，基本頂發(fā)生第2次周期失穩(wěn)，砌體梁結構向工作面前方移動，垮落巖層高度15.9m,如圖2(d)oT作面推進到75m時，工作面發(fā)生第3次周期來壓，煤層上方26.76m的覆巖內(nèi)產(chǎn)生貫穿裂隙并斷裂垮落，模型上部未垮落覆巖受自重和載荷影響，開始發(fā)生彎曲下沉現(xiàn)象，且在垮落巖層與彎曲下層巖層間產(chǎn)生較大的離層裂隙，如圖2(e)oT作面推進到85m時，工作面發(fā)生第4次周期來壓，模型上部覆巖整體彎曲下層，與下部垮落巖層接觸，離層裂隙被壓實，模型頂部最大下沉量為0.8m,如圖2(f)。圖2(g)~圖2(h)為工作面第5次周期來壓位移云圖和回采完成后云圖，可知，在推進到100m時，模型頂部最大下沉量開始穩(wěn)定，值為1.58m。3.2覆巖運動過程中的應力結果分析為研究開采過程中應力動態(tài)變化規(guī)律，選取回采10、80、105、150m時沿工作面走向的垂直切面及回采完成后距煤層10、30、50、70m的水平切面應力云圖進行分析。工作面推進過程中覆巖應力云圖如圖3。開挖10m、80m時的應力云圖如圖3(a)和圖3(b)，由圖可知：采空區(qū)的出現(xiàn)導致上方覆巖開始形成拱形卸壓區(qū)，隨著工作面的推進，卸壓拱逐漸變大，在開挖到80m時，卸壓拱發(fā)育到最高位置，不再向上發(fā)育，而是水平進行發(fā)展，且卸壓拱中部開始出現(xiàn)應力恢復區(qū)。由圖3(c)~圖3(d)可知，回采到105m時，壓實區(qū)貫通，將卸壓拱分為2部分，分別位于開切眼和工作面上部，之后隨著工作面的推進，開切眼上方的卸壓區(qū)無明顯變化，中部壓實區(qū)逐漸變大，工作面上方卸壓區(qū)沿推進方向運動。圖3工作面推進過程中覆巖應力云圖水平應力云圖如圖4。由圖4(a)~圖4(d)可知，在水平方向，卸壓區(qū)呈“O”型圈分布，且工作面上方卸壓區(qū)要略大于開切眼上方卸壓區(qū)，沿工作面傾向的左右兩端的卸壓區(qū)寬度相等。距離煤層越遠，卸壓區(qū)的范圍越小，卸壓區(qū)的應力也逐漸增大。圖4水平應力云圖3.3覆巖運動裂隙演化分析為便于分析煤體裂隙場的動態(tài)變化規(guī)律，以覆巖的卸壓作為裂隙是否富集的標準。定義卸壓系數(shù)r來反映，采動過程中任意一點的卸壓系數(shù)r=1-采動卸壓后的應力值/原巖應力值。根據(jù)覆巖卸壓于采動裂隙之間的關系，將r小于0.2的區(qū)域看作裂隙富集區(qū)；r值處于0.2~0.5之間的區(qū)域為產(chǎn)生離層裂隙但未產(chǎn)生觀察裂隙區(qū)域;r值大于0.5的區(qū)域為采動影響較弱區(qū)。結合不同推進距離下的應力云圖，得出裂隙富集區(qū)形態(tài)動態(tài)變化過程如圖5。圖5不同推進距離下的裂隙富集區(qū)形態(tài)由圖5可知，從工作面開切眼到回采60m時，裂隙富集區(qū)呈拱形，且隨工作面的推進，拱形逐漸變大，在推進到60m時，拱形高度開始穩(wěn)定，距煤層距離為51.7m。當回采到80m時，采空區(qū)中部出現(xiàn)重新壓實區(qū)，裂隙富集區(qū)呈現(xiàn)中部鏤空的圓拱型。在推進到105m時，采空區(qū)中部的裂隙被上位巖層的移動壓實，裂隙富集區(qū)呈圓環(huán)狀，開切眼上方裂隙富集區(qū)發(fā)育高度為44.02m，寬度為22.52m，工作面上方裂隙富集區(qū)發(fā)育高度為50.2m，寬度為30.2m;工作面繼續(xù)推進，壓實區(qū)逐漸變大，而裂隙富集區(qū)寬度和高度無明顯變化。工作面回采完成后，開切眼上方裂隙富集區(qū)發(fā)育高度為38.09m，寬度為21m，工作面上方裂隙富集區(qū)發(fā)育高度為50.2m，寬度為27.6m。工作面傾向應力云圖如圖6，由圖可知，工作面兩端上方裂隙富集區(qū)大小和形狀相同，發(fā)育高度為41.13m，寬度為22.35m。圖6x=125m切面應力云圖4結論1）工作面回采對頂板巖層位移發(fā)展影響明顯，隨著來壓的發(fā)生，覆巖垮落高度和離層裂隙高度逐步增加，在推進到100m時，模型頂部最大下沉量開始穩(wěn)定，值為1.58m。2）構建了回采過程中的裂隙富集區(qū)形態(tài)的動態(tài)變化模型，確定了裂隙區(qū)的發(fā)育高度和寬度，為覆巖裂隙中卸壓瓦斯抽采鉆孔位置的確定提供了理論依據(jù)。【相關文獻】[1]錢鳴高，許家林.覆巖采動裂隙分布的"O”形圈特征研究[J].煤炭學報，1998(5):20-23.[2]劉澤功，袁亮，戴廣龍，等.開采煤層頂板環(huán)形裂隙圈內(nèi)走向長鉆孔法抽放瓦斯研究[J].中國工程科學，2004,6(5):32-38.[3]袁亮，郭華，沈?qū)毺?，?低透氣性煤層群煤與瓦斯共采中的高位環(huán)形裂隙體[」].煤炭學報，2011,36(3):357-365.[4]林海飛，李樹剛，成連華，等.覆巖采動裂隙帶動態(tài)演化模型的實驗分析[J].采礦與安全工程學報，2011,28(2):298-303.[5]林海飛，李樹剛，趙鵬翔，等.我國煤礦覆巖采動裂隙帶卸壓瓦斯抽采技術研究進展[J].煤炭科學技術，2018,46(1):28-35.[6]李樹剛，丁洋，安朝峰，等.近距離煤層重復采動覆巖裂隙形態(tài)及其演化規(guī)律實驗研究[J].采礦與安全工程學報，2016(5):904-910.[7]李樹剛，林海飛，趙鵬翔，等.采動裂隙橢拋帶動態(tài)演化及煤與甲烷共采[J].煤炭學報，2014,39(8):1455.[8]李樹剛，石平五，錢鳴高.覆巖采動裂隙橢拋帶動態(tài)分布特征研究[J].采礦與安全工程學報，1999(3):44.[9]吳仁倫，王繼林，折志龍，等.煤層采高對采動覆巖瓦斯卸壓運移"三帶”范圍的影響[J].采礦與安全工程學報，2017,34(6):1223-1231.[10]吳仁倫，王亞飛，徐東亮，等.工作面面寬對煤層群開采瓦斯卸壓運移"三帶”范圍的影響[J].采礦與安全工程學報，2017,34(1):192-198.[11]朱訓國，夏洪春，王忠昶.煤層開采過程中覆巖移動規(guī)律的UDEC數(shù)值模擬[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版)，20