UDEC在急倾斜特厚煤层开采沉陷数值模拟中的应用

郭春颖，李云龙，刘军柱

(中国地质工程集团公司，北京 100083)

煤矿开采引起的开采沉陷问题日益引起世人的关注，尤其是矿区邻近城市周边的开采沉陷盆地对城市的安全和发展构成了严重的威胁。而人们对倾角在45°以上的急倾斜煤层开采引起的岩层移动和地表塌陷规律的认识还不是很深入，笔者试图通过UDEC数值计算软件，以新疆乌鲁木齐六道湾煤矿的开采沉陷问题为例，模拟研究急倾斜特厚煤层开采围岩破坏运动规律和地表沉陷变形的规律，找出控制沉陷和岩层破坏的科学途径。

1 六道湾矿区概况

六道湾煤矿位于乌鲁木齐矿区、八道湾向斜南翼的西部,地处乌鲁木齐市水磨沟区六道湾。

矿区位于博格达山西北麓与准噶尔盆地东南缘之间的山前丘陵地带，地势西南高，东北低，最高海拔+920m，最低海拔+760m，相对高差一般10～30m，最大50～100m。其中，西山窑组大槽煤侵蚀面在800m水平以下。

矿区地层为陆相沉积地层，主要为侏罗系及第四系地层，其中侏罗系分布最广，第四系次之。侏罗系地层有下统的八道湾组和三工河组，中统的西山窑组及头屯河组，上统的齐古组。西山窑组为区内主要含煤岩系。

开采煤层为侏罗系西山窑组，主要由泥岩、砂质泥岩和砂岩组成。煤层走向东翼约为北60°东，西翼为北64°-66°东，倾向322°～335°。煤层倾角60°～70°，一般65°。南部的B1～B6煤层形成了两个组合特厚煤层，B1+2称为“南大槽”，B3+4+5+6称为“北大槽”。

2 UDEC数值模拟软件简介及其适用性简析

通用离散元程序(UDEC，Universal Distinct Element Code)是一个处理不连续介质的二维离散元程序。UDEC用于模拟非连续介质(如岩体中的节理裂隙等)承受静载或动载作用下的响应。非连续介质是通过离散的块体集合体加以表示。不连续面处理为块体间的边界面，允许块体沿不连续面发生较大位移和转动。块体可以是刚体或变形体。变形块体被划分成有限个单元网格，且每一单元根据给定的“应力-应变”准则，表现为线性或非线性特性。不连续面发生法向和切向的相对运动也由线性或非线性“力-位移”的关系控制。在UDEC中，为完整块体和不连续面开发了几种材料特性模型，用来模拟不连续地质界面可能显现的典型特性。UDEC是基于“拉格朗日”算法很好地模拟块体系统的变形和大位移。

从离散化的角度出发，岩体本质上是节理介质，煤层开采后的覆岩破碎、断裂、离层等发育，可作为离散体来处理，且块体间存在着力的联系，因而离散元在矿山岩体力学和矿山压力研究中得到较广泛的应用，对模拟急倾斜煤层开采沉陷问题比较适用。

3 数值建模

3.1 计算范围

理论分析和计算实践表明，当由于结构或工程开挖释放荷载作用于岩体某一部位时，对周围岩体的应力及位移将有明显影响的范围大约是开挖或结构与岩体作用面的轮廓尺寸的2.5～3倍，在此范围之外，影响甚微，可忽略不计。

考虑到离散误差和计算误差，为保证计算精度，计算范围应取不小于3～4倍的范围，结合本区域的地质结构条件和开采规模方式，综合确定模型南边界为南大槽露头以南738m左右，北边界为B33煤层露头以北1481m左右，底板边界为+510水平以下510m，煤层倾角取平均值65°，整个模型尺寸为长×高=3 000m×810m。模型位置选取研究区内煤层开采强度最大，塌陷程度最严重的剖面。

3.2 物理力学参数的选取

依据相关试验数据和研究区地质赋存特点，充分考虑煤系地层多节理裂隙的特点和煤层与岩层的岩性差异较大的地质条件，对试验得出的力学参数数据进行适度的折算处理，取岩块力学性质的1/3左右强度值，综合各方面因素，确定研究区地层岩性参数如表1所示。

表1 地层物性参数表

3.3 边界和初始条件的确定

根据研究问题的需要，选择的模型范围受采动影响很小，模型边界可以认为底部无水平和垂直位移，左右两边界无水平位移，即速度为零，岩体内部只存在天然自重应力，因研究区内地质构造较单一，不考虑小断层和地质构造应力的作用。

4 模型运行结果分析

依据生产资料显示的开采顺序，确定模型的开挖顺序，以期较真实的模拟矿区煤层开采引起的应力重分布和岩层移动规律，划分650水平、540水平和510水平三个水平，本着先开采北大槽再开采南大槽的开采顺序对模型进行开挖，下面分别列出模型运行成果，并做分析。

4.1 开采结束后的应力分布云图

北大槽510水平煤层开采的竖直应力和水平应力分布云图见图1、图2。随着煤层开采强度的加大，开采深度的增加，岩体内的应力水平层状分布规律进一步遭到破坏和扰动，采空区周围形成明显的泄压区和支承压力区，符合矿压显现规律。扰动破坏不断发展直达到地表，图1、图2所示北大槽部分采空区(图中标示采空塌陷区域)已被坍塌的岩石所充填压密，形成二次应力场。

图1 竖直应力分布云图

图2 水平应力分布云图

4.2 北大槽顶板点的应力、应变变化曲线

由图3到图5的水平方向的应力变化曲线、应变变化曲线以及应力-应变变化曲线可以看出岩体由弹性变形阶段进入塑性阶段并最终破坏的全过程。

该点的水平应力经历了两次阶越式突变，第一次在a点由2MPa的高压应力突然泄压至b点0.2Mpa的低应力区，表征岩体因煤层开采而应力释放的过程，并持续到c点，此阶段是岩体裂隙发育的过程，对应图4中的a点位置，此后岩体产生较大的应变变形和应力增长的过程，表征此阶段岩体发生破碎并再次压实的顶板冒落现象。图5显示了岩体应力随应变变化的特征曲线。

图3 北大槽顶板点水平应力曲线

图4 水平应变曲线

图5 水平应力-应变曲线

垂直应力与水平应力相似，经历了大致相同的变化过程。

4.3 顶板的岩移特点

由图6所示，北大槽顶板产生大面积垮落，部分接触底板，凹向下方，最大位移量19.473m，地表部分地段有局部隆起现象。

图6 北大槽顶板竖向岩移图

图7 竖向应力等值线与位移矢量图

由图7可以看到北大槽顶板产生大面积冒顶垮落，垮落方向大致是岩层法线方向稍向下方一点，最大位移量55.81 m，底板的破坏程度明显没有顶板剧烈。图7较清晰的显示了岩体内部破坏运移的轨迹，北大槽顶板已经大面积垮落，凹向煤层底板，部分已完全垮落到底板上面。

4.4 地表变形及影响范围

图8显示的是地表竖向移动矢量图，由图8可见在北大槽深部开采的地表投影附近形成了一个深达4.2 m的塌陷坑，形成的移动盆地范围直径约567 m。

图8 地表竖向移动矢量图

图9显示的是模型运行结果的塑性区图和局部放大图，由图9中可以看出，510水平开采时的岩移边界角β0最大可达28°，这与地表移动观测资料得出的边界角29°54′比较吻合，从现场裂缝的发展情况看，地表移动还没有停止，裂缝有向北发展的趋势。

图9 塑性区图

5 急斜特厚煤层开采沉陷特点小结

急斜特厚煤层开采沉陷的特点是围岩破坏主要向煤层上方发展，底板侧的破坏相比则明显小的很，随采深加大顶板围岩会逐渐向底板运移，但老顶一般只发生弯曲变形，特别是几十米的特厚老顶的存在，有效限制了破坏向顶板的发展，地表覆盖层破坏形式呈深槽性地表塌陷。如果在开采过程中分段或水平采用自上而下的充填是及时有效的，破断的影响范围是有限的，在老顶上方就可构筑永久绿化带和建筑物，恢复土地的使用功能，急斜特厚煤层开采的地表就完全可能恢复为绿色的秀美山川。

[1] 六道湾煤矿岩层与地表移动观测.

[2] 高召宁，石平五.急倾斜水平分段放顶煤开采岩移规律[J].西安科技学院学报，2001(4)：316-318.

[3] 石平五，高召宁.急斜特厚煤层开采围岩与覆盖层破坏规律[J].煤炭学报，2003(1).