复杂煤层开采工作面矿压数值模拟

陈彦好 乔艺骞

摘 要： 随着煤炭资源的不断开发，浅层长壁煤炭被不断采出，特别是在东部地区，不断向深部煤层以及复杂煤层发展，然而复杂煤层的开采条件更加复杂、恶劣，所以，对复杂煤层开采的研究势在必行。为了更清楚的了解复杂煤层开采工作面的矿压显现规律，本文将采用离散元UDEC3.10软件进行数值模拟，通过分析得到复杂煤层开采条件下的矿压显现规律。

关键词： 复杂煤层；矿山压力；数值模拟；UDEC软件

1UDEC3.10软件介绍

UDEC（Universal Discrete Element Code）是针对非连续介质开发的平面离散元程序，在数学求解方式上采用了与FLAC一致的有限差分方法，力学上则增加了对接触面的非连续力学行为的模拟，因此，UDEC被普遍用来研究非连续面（与地质结构面）占主导地位的工程问题。

2模型建立

根据宋振骐院士提出的以岩层运动为中心的矿压传递岩梁理论建立数值模拟模型。根据采场上覆岩层运动对采场产生直接影响的程度，可以认为6.6m砂质页岩老顶及其以下范围的岩层是对采场产生直接影响的岩层，而该老顶之上岩层则视为作用到其上的载荷，所以模型的建立只考虑老顶、直接顶、煤层和底板的结构关系。

工作面岩性特征如表3-1所示。

为了模拟复杂煤层开采过程的围岩运动及应力演化规律，采用适合非连续介质的离散元软件UDEC进行模拟。建立模型范围为：走向100m×岩层高度22.4m，依据表3-1赋予各岩层相应的力学参数，根据经验选取相关节理、裂隙的物理力学参数，模拟中模型深度为600m，所建立模型在上边界施加600m埋深所产生的压力，左右边界和下边界固定。建立模型如图1所示。

3模拟过程

建立模型后，按照以下过程进行模拟：原岩应力平衡→工作面初次来压→工作面周期来压1→工作面周期来压2→工作面周期来压3。

4模拟结果

通过对上覆岩层的下沉量进行分析可以看出，随着工作面的不断推进，直接顶和老顶均在距离工作面10m～15m左右出现离层，这说明直接顶的下沉速度要大于老顶的下沉速度，相对于直接顶来说，老顶的下沉是缓慢的。

采场上覆岩层位移：

通过对上覆岩层运动规律进行分析，可以看出：

1、在靠近煤壁处和直接顶悬顶与老塘区接界处应力都为压应力，越靠近煤层应力值越大，远离煤层处应力变小；采空区周围受到的应力较小，煤壁内侧周围受到的应力最大；采深越大，靠近煤壁处应力值越大。

2、水平方向应力越靠近煤壁应力值越大，且为压应力，远离煤壁的顶底板水平压应力值变小，达到一定距离后拉应力出现；直接顶和老顶上都有水平拉应力出现，且以拉应力为主。

3、随着工作面的推进煤层覆岩的最大下沉量基本一致，但是在距离工作面距离较近的直接顶和老顶之间已经出现了离层，这说明直接顶与老顶之间的下沉速度是不一致的，相對于直接顶来说，老顶的下沉速度是缓慢的。