基于UDEC分析确定采场上覆岩层“竖三带”界限

王志刚，黄　瑜，席朝东，张汉雄，张攀东，幸　福

(1.山西大同晋华宫矿，山西大同830002; 2.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京100083)



基于UDEC分析确定采场上覆岩层“竖三带”界限

王志刚1，黄瑜2，席朝东2，张汉雄2，张攀东2，幸福2

(1.山西大同晋华宫矿，山西大同830002; 2.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京100083)

摘要：采场上覆岩层“竖三带”范围直接影响到采空区的瓦斯抽采和治理。基于UDEC软件对王坡煤矿3215工作面采场上覆岩层的垮落规律进行研究，分析采空区的形成过程中采场岩层的运动规律，根据研究结果对采空区空间进行划分，从而得出垮落带和裂隙带的高度分别为24 m和48 m，裂隙带以上部分为弯曲下沉带。这一研究结果对于采空区的瓦斯抽采具有指导意义。

关键词：采空区；上覆岩层；竖三带；瓦斯抽采

在采场上覆岩层运动规律的研究中，根据研究的目的和出发点不同，研究方法主要有力学实验研究、相似材料模拟实验法、计算机数值模拟法和现场观测法[1]。计算机数值模拟技术能够较好地模拟现场复杂多变的地质条件和开采条件，进行深入细致的计算分析研究，具有功能强大、操作简便、运算灵活、计算结果可靠等优点，是目前较为广泛应用的一种研究方法。

工作面回采后，采空区周围岩层从上到下按照顶板破环方式不同依次被划分为弯曲下沉带、裂隙带和冒落带，即“竖三带”[2]。本文将采用UDEC数值模拟法对采空区上覆岩层的运动规律进行深入研究，并根据研究结果对采空区空间进行划分，从而确定三带的空间分布范围。

1　3215工作面基本状况

本文研究对象为王坡煤矿3215工作面，工作面地表位于杨山村以西，地表为山谷沟壑状，地面标高为1 086 m～1 162 m，工作面标高为520 m～580 m。工作面东、西两侧为实体煤区，北部为矿井井田边界，南部为4条集中大巷。所采煤层为山西组3号煤，工作面走向长度为1 921 m，倾向长度为180m，地势比较平缓，煤层倾角为3°～6°，大部分为近水平煤层。3号煤层埋深560 m，煤层厚度5.76 m，机采高度3.66 m，放煤高度2.1 m，采放比1.74：1。煤层以黑色，亮煤为主，具有金属玻璃光泽，坚硬、性脆，局部煤质松软、破碎，局部含两层夹矸。煤层直接底为2.1 m的泥岩或细粉砂岩，基本底为3.2 m的中砂岩，煤层上方有一层极薄的伪顶，即厚度0.3 m的炭质泥岩，直接顶为4.0 m的砂质泥岩，老顶为8.89 m的中砂岩。

2　模型的建立

由于本煤层倾角较小，计算模型设为水平模型，选取工作面的走向方向（煤壁方向）为X轴，沿煤壁竖直向上方向为Y轴方向。其中，在X轴方向上，切眼左侧取100 m，右侧取300 m；在Y轴方向上，按照煤层地质综合柱状图选定3号煤底板往下取6 m，3号煤顶板往上取81.2 m，由此形成了400 m×93 m的原始计算模型，采用平面应力模型。

模型边界条件：模型的左右边界为实体煤岩体，下部边界为底板，均简化为位移边界条件，左右边界限制水平方向的位移，下部边界限制竖直方向的位移；上部边界条件为应力边界条件，载荷简化为均布载荷[3]，即：q=∑γh=14.3 MPa。

岩体采用摩尔-库仑模型，节理采用节理面接触-库伦滑移模型，煤岩层节理简化为水平方向与竖直方向两组节理。在初始模型上施加初始应力及边界条件，运行至平衡,继续开挖200 m后模型达到平衡状态，见图1。

图1　模型回采200 m后达到平衡状态

根据相关资料选取模拟所需的各岩层物理力学参数，如表1所示。

表1　3号煤层及顶底板各岩层力学参数

在顶板岩层中设定监测线和监测点，监测顶板下沉量。在模型中布置1条竖直测线，每隔8 m布置1个测点，共布置11个监测点。测线的X坐标为200 m，测线上检测点的坐标布置，如表2所示。

表2　“竖三带”监测点位置布置表

3　数值模拟结果分析

在工作面向前开挖200 m时，对监测线上的监测点的Y方向位移变化进行监测，当模型运行平衡时，得到监测线上监测点垂直位移变化曲线,见图2。

图2　测线上各监测点垂直位移变化图

对图中所示测线的各监测点的垂直位移变化曲线进行分析，可知：

1）顶板最大下沉量为测点1处，该点处于采空区上方直接顶中部的最下部，其下沉量约为5.33 m，而工作面采高为5.76 m，这说明直接顶岩层已经充分冒落，接触到采空区的底板。

2）测线上处于下部的测点垂直位移变化明显，呈现陡然下降趋势，而靠近中部和上部的监测点的垂直位移变化比较平缓。这是因为下部测点处于垮落带内，伴随着顶板的垮落，位移急剧增大，而中部和上部监测点则处于裂隙带或弯曲下沉带内，岩层仅发生离层或轻微下沉，所以位移变化比较平缓。

3）在距离3号煤层顶板上方一定距离的某测点处，其以上的所有监测点顶板下沉量很相近，而其以下的测点下沉量则明显大于此测点以上岩层的下沉量，这表明从此测点往下的岩层处于裂隙带和冒落带内，而此测点以上的上覆岩层则处于弯曲下沉带。如图2所示，测点1处岩层垂直位移为5.33 m，其上的测点2、测点3、和测点4，下沉量也都大于3.00 m，可以判断顶板测点4及其以下的顶板岩层已经垮落。测点5到测点10之间的顶板的下沉量在1.00 m～3.00 m之间，表明在此段之间的岩层垂直位移较大，但还没有达到垮落的程度，因此初步推断测点10号为裂隙带与弯曲下沉带的分界处。

据此，对照各测点Y坐标，可以得出冒落带高度约为24 m，裂隙带高度约为48 m，裂隙带顶部以上部分为弯曲下沉带。

4　结论

1）运用UDEC数值模拟软件对王坡矿3215工作面上覆岩层运动规律进行研究，得出了垮落带、裂隙带和弯曲下沉带的空间分布范围，确定了采场上覆岩层“竖三带”的界限。

2）研究结果进一步明确了采空区的形成过程和采场上覆岩层的运动演化规律，从而为采空区瓦斯抽放和治理提供重要的依据。

参考文献：

[1]杨卓明,赵耀江,吴兵.基于UDEC采场上覆岩层应力分布及破坏规律研究[J].煤炭技术, 2014(8):267- 270.

[2]黄学满.煤矿采场“竖三带”的确定方法及应用[J].煤炭科学技术, 2013(8): 48- 50.

[3]郝志勇,林柏泉,张家山,等.基于UDEC的保护层开采中覆岩移动规律的数值模拟与分析[J].中国矿业, 2007, 16(7): 81- 84.

（编辑：樊敏）

Determination of Vertical Three-zone of Overlying Strata in the Mining Area Based on UDEC

WANG Zhigang1, HUANG Yu2, XI Chaodong2, ZHANG Hanxiong2, ZHANG Pandong2, XING Fu2
(1. Jinhuagong Mine, Datong 830003, China; 2. Faculty of Resources & Safety Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing, 100083, China)

Abstract:The range of vertical three- zone of overlying strata directly affects the gas drainage and control in goaf. Based on UDEC software, overlying strata caving regularity of No.3215 working face in Wangpo Mine was studied. In the process of goaf formation, strata movement law was studied in order to divide the space of the goaf. The results show that the height of caving zone and fissure zone is 24 meters and 48 meters, respectively. The part above the fissure zone is a bending subsidence zone. The study could guide the gas drainage in goaf.

Keywords:goaf; overlyingstrata; vertical three- zone; gas drainage

作者简介：王志刚(1986- )，男，山西大同人，大学本科，助理工程师，从事矿山开采技术研究工作。

收稿日期：2015- 10- 13

DOI:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.01.011

文章编号：1672- 5050（2016）01- 0035- 03

中图分类号：TD325

文献标识码：A