大采高工作面上覆岩层发育特征的数值模拟

杜 康

(山西潞安集团余吾煤业有限公司)

大采高工作面上覆岩层发育特征的数值模拟

杜 康

(山西潞安集团余吾煤业有限公司)

为掌握上屯留煤矿上覆岩层的发育特征，以该矿S2106工作面为研究对象，采用UDEC数值模拟软件建立了数值模型，对其上覆岩层的移动规律进行了研究，并得出以下结论：工作面推进45 m时，冒落带高度发育到了31 m，且基本上不再向上发育；当工作面推进60 m时，裂隙带高度为61 m，基本上也不再随着工作面的推进向上发育。

冒落带 裂隙带 上覆岩层 数值模拟

随着我国经济和科学技术的快速发展，采煤装备得到了很大的改进，出现了6 m以上的一次采全高的大采高工作面，大大提高煤炭的采出率和工作效率，减少了工作面的搬家次数，降低了人力、物力的消耗。但由于大采高工作的采出空间大，上覆岩层移动剧烈，给大采高工作面带来了工作面片帮、周期来压大及易产生压架等问题。因此，研究上覆岩层的发育特征有重要意义[1-3]。

国内外不少学者对上覆岩层发育特征进行了研究。王皓等以安山煤矿2002工作面为对象，研究了浅埋煤层过沟时上覆岩层的破坏规律[4]；张若宇等对充填开采上覆岩层裂隙结构进行了研究[5]；杨鹏以补连塔煤矿12406 工作面为对象，对其上覆岩层采动裂隙演化规律进行了相似模拟研究[6]；高云等以常村煤矿N3-8工作面为对象，采用FLAC3D数值模拟软件，对其上覆岩层裂隙发育特征进行了研究[7]。笔者以屯留煤矿S2106工作面为对象，研究了该矿上覆岩层在大采高下的移动规律，分析了冒落带和裂隙带的发育高度。

1 矿井概况

余吾煤业屯留井田位于山西省屯留、襄垣县境内，潞矿集团的西部。余吾煤业是潞安集团投资建设的一座大型现代化矿井，井田面积160.24 km2，可采储量6.79亿t，主采3#煤层平均厚度6 m。潞安集团余吾煤业S2106为该矿单“U”+高、低位顶板抽放巷瓦斯治理模式试验工作面，从西向东3#煤层整体近似为一单斜构造，平均坡度5°，东高西低，埋藏深度480～543 m。工作面原始瓦斯含量9.484 6 m3/t，由于预抽时间较短，回采期间可解析瓦斯含量7.332 4 m3/t。工作面回采平距1 284 m，切眼平距312 m，为大采长工作面。

2 模型建立

采煤工作面为一个三维空间，分析工作面在回采过程中上覆岩层的移动特征，选择剖面(A-A)建立数值模拟模型。模型高度144 m, 宽200 m，UDEC数值模拟模型如图1所示。

图1 工作面布置示意

3 数值模拟结果分析

本次建模主要考虑了煤层以上的15层覆岩移动情况，岩层主要参数如表1所示。

从表1可以看出，17层岩层的力学性质有很大差异，厚薄差异较大，对上覆岩层的移动会产生很大的影响。因此，为了更好地对上覆岩层的移动状况进行研究，依据上覆岩层厚度以及力学性质等参数，将每一层岩体都作为一个组，设置相同的力学参数，然后再将其划分成若干个块体。图2为数值模拟示意，图3为上覆岩层随工作面推进的移动和裂隙发育状况。

从图3可以看出，随着工作面的推进，大采高工作面上覆岩层移动比较剧烈，冒落带发育高度较高，符合冒落带高度是采高4～6倍建模经验值。当工作面向前推进10 m时(图3(a))，工作面直接顶开始垮落，垮落高度约4.55 m；工作面继续推进，冒落带高度持续向上发展，一直从直接顶发展到老顶，再到覆岩层中的泥岩、砂质泥岩，当工作面推进到45 m时，冒落带发展到了亚关键层，冒落带高度达到最大，且基本稳定在31 m左右；随着工作面持续推进，亚关键层开始断裂垮落，采空区开始逐步被充满，当工作面推进到60 m时(图3(c))，在亚关键层上部局部区域出现离层裂隙，并随着工作面的继续向前推进，裂隙带也持续向上发展，但是当其发展到主关键层时不再向上发育了，最终发育高度为61 m；当工作面继续向前推进，主关键层以上岩层不再出现拉张裂隙，而是与主关键层同步，保持其整体形状，形成了弯曲下沉带。

表1 UDEC数值模拟中的岩层力学参数

图2 数值模拟

通过图3和以上的分析，得到大采高工作面形成的冒落带高度为31 m左右，裂隙带高度为61 m左右。

4 结 论

以屯留煤矿为研究对象，运用UDEC数值模拟软件对工作面推进过程中上覆岩层裂隙动态发育过程进行了研究，得到以下结论：推进距离为45 m时，老顶及上覆泥岩、砂质泥岩全部垮落，亚关键层尚完好，冒落带高度达最大，并不再向上发展，基本稳定在31 m；当推进到60 m时，裂隙带发育高度为61 m，并且基本稳定在61 m。

图3 不同推进距离下裂隙发育规律

[1] 王 联,文良兵,芦 程.煤岩采动裂隙场的成因及其特征分析[J].煤矿现代化，2013(3):37-38.

[2] 聂荣军，张庆功，刘振岭，等.采动覆岩裂隙演化规律RFPA数值模拟分析[J].陕西煤炭,2011(4)：25-27.

[3] 朱红青,张民波,申 健,等.平岗煤矿1202工作面上覆岩层“三带”的判定[J].科技导报,2013,31(23):45-49.

[4] 王 皓,侯恩科,高 涛.浅埋煤层过沟开采上覆岩层破坏规律数值模拟[J].现代矿业,2014(11):22-23.

[5] 张若宇,金元甲.充填开采上覆岩层裂隙拱结构研究[J].现代矿业,2014(11):38-40.

[6] 杨 鹏.采场上覆岩层采动裂隙演化规律相似模拟研究[J].煤炭科学技术,2014,42(8):121-124.

[7] 高 云,华明国.常村煤矿N3-8工作面上覆岩层裂隙演化规律研究[J].中州煤炭,2015(1):11-13.

Numerical Simulation of the Overlying Strata Development Characteristics of Large Height of Working Face

Du Kang

(Yuwu Mining Limited Company, Shanxi Lu'an Group)

In order to understand the overlying strata development characteristics in Shangtunliu coal mine, taking the S2106 working face as an example, the numerical model is established by dopting UDEC numerical simulation software so as to analyze the displacement laws of overlying strata. The results show that when the working face advance 45 m, the height of the caving zones development to 31 m, and no longer upward development basically; when the working face advance 60 m, the height of the fissure zone is 61 m, and it is not upward development with the advances of working face basically.

Caving zone, Fissure zone, Overlying strata, Numerical simulation

2015-04-27)

杜 康(1979—)，男，工程师，046000 山西省长治市。