文家坡矿煤层顶板离层动态发育特征UDEC数值模拟研究

王磊，王树明，陈星，翟恒玉，张鹏

(陕西彬长文家坡矿业有限公司，陕西 咸阳市 713500)

0 引言

高延法在传统的“三带”理论基础上提出岩移“四带”模型，将覆岩破坏后的力学结构特征划分为破裂带、离层带、弯曲带和松散冲积层带，其中煤层顶板离层带的形成常常伴随着工作面离层水害的形成，严重的甚至造成顶板离层水涌、突水灾害。矿山对煤层顶板离层水害的研究越来越重视，目前常用的方法有经验公式法、相似材料模拟法、现场实测法和数值模拟法等。

文家坡井田地质条件下，煤层回采过程中由于洛河-宜君组地层厚度大、强度高，加之回采过程中易形成砌体梁结构而存在水平作用力，使得其整体结构变形量较小，在煤层回采过程中与下部侏罗系软弱地层之间易形成离层空间，且随着工作面的逐渐推采而周期性破断。本文采用离散元计算机数值模拟方法，研究离层形成的动态发育过程，为离层水害形成机理提供理论依据。

1 彬长矿区地质概况

陕西彬长文家坡矿业公司矿井井田位于黄陇煤田彬长矿区，井田面积为79.69 km2，井田资源量为7.29亿t，设计可采储量为3.47亿t，核定生产能力400万t/a，服务年限61.2a，属于弱冲击地压矿井。矿井首采区4煤层采用走向长壁综合机械化放顶煤开采，全部垮落法管理工作面顶板。4煤煤层顶底板类型为层状岩类、工程地质条件为中等类型，直接顶板以泥岩、砂质泥岩为主。煤层顶板覆岩表现为结构性“下软-上硬”的地层覆岩结构特征，上部洛河组硬岩富水性中等，是影响煤矿回采的主要含水层段，下部软弱的侏罗系地层含水层富水性弱。

根据勘探结果，文家坡井田的土层组分为流砂-淤泥层组、砂卵砾层组、黄土层组和黏土层组 4个土层组；岩石组分为砾岩岩组、砂岩岩组、泥岩岩组和煤岩组4个工程地质岩组。其洛河组含水层是彬长矿区范围内主要充水含水层，地层厚度大，富水性相对较好，煤层回采过程中若导水裂缝带波及到该含水层将造成工作面涌水强度增大，水害明显。首采区范围内洛河组含水层厚度由南向北逐渐增大，变化范围为240～300 m。整体而言，洛河组含水层厚度在首采区区域内变化幅度相对较小，地层发育较为稳定。

2 离层空间动态变化数值模拟

煤层顶板覆岩破坏过程中若地层发生不协同变形，在不同层位之间会形成离层空间，离层形成、发展和破裂伴随着顶板覆岩破断。若离层空间发育时间长、空间规模大、有水源补给，在离层破断过程中离层空间大量积水集中涌出，威胁工作面安全。开采过程中煤层回采造成顶板岩层垮落，发生明显的地层破断和位移，从而形成离层空间。因此，用离散元程序进行离层空间数值模拟计算较为合理，可以科学合理的模拟离层的形成、发展和破裂的过程。本文采用离散元数值模拟软件，研究煤层顶板岩层中形成离层的可能性以及离层形成、发育和破断过程，为离层突水机理研究提供依据。

2.1 模拟软件及原理

UDEC模拟软件基于二维离散元算法，可在二维空间描述离散介质的力学行为，通过模拟离散块体集合来表示非连续介质。软件主要模拟静态、动态加载条件下非连续介质的力学行为特点。非连续介质反映于离散块体的组合，节理则被当作块体之间的边界条件，它允许块体沿节理面进行运动及回转，单个块体可以是刚性或是塑性。利用FISH语言编写程序可开发具有特殊功能的UDEC程序，使其不仅能模拟岩体的复杂力学行为，也可以动态分析施工过程，并对工程结构力学行为进行预测和预报，数值模拟力学分析结果可用于指导矿井安全生产。

2.2 模型建立与开挖

以文家坡煤矿 4014综放工作面为原型，采用UDEC 数值模拟软件，研究 4 煤层开采过程中工作面顶板的破断规律，分析顶板覆岩离层发育过程，研究顶板离层形成机理及发育规律。

根据文家坡煤矿首采区地质勘察资料建立数值模拟模型，在适当简化后建立UDEC 计算模型，模拟煤层采高、面宽、工作面接续以及洛河组含水层水压对覆岩采动裂隙发育演化的影响。模型尺寸为：1000 m×550 m（宽×高），煤层厚度为10 m，模型左边界、右边界、下边界采用位移固定，模型上方覆岩自重通过加载方式实现，将载荷的布置形式设置为均布载荷，模型左右边界施加围压，模拟采煤工作面实际受力情况。

岩体本构方程采用弹塑性本构模型，岩体屈服准则为摩尔-库伦屈服准则，煤岩块体选为应变软化模型；模型中岩层层理、虚拟节理等节理选择为面接触-库伦滑移节理模型，煤层的开采垂直节理设置为虚拟节理。模型如图1所示，初始应力平衡如图2所示。

图1 模型网格划分

图2 初始应力平衡

2.3 模拟计算结果及分析

以文家坡煤矿首采区 4104综放开采工作面参数为基础，模拟综放开采条件下顶板覆岩离层动态发育特征；以4 m为开采步距，开采高度为10 m，分别得出沿走向不同推进深度顶板覆岩应力分布特征，如图3所示。

图3 综放工作面走向推进应力分布特征

图3为工作面综放采高10 m 条件下应力分布情况。工作面煤层开采后，煤层顶板覆岩原有应力平衡状态被打破，煤层上方顶板一定范围内显现垂直应力集中区，采空区形成卸压区和压实区，压实区只有当工作面推进一定距离后才产生。随着采高的增大，支撑应力峰值逐渐增大，同时可以看到，综放开采工作面采空区不易于充满，覆岩扰动范围大，支撑应力增加相对较快。结合覆岩运动和应力分布特征，进一步分析顶板覆岩离层动态发育特征，如图4所示。

图4 综放工作面走向推进裂隙分布

图4为采高10 m 条件下综放开采工作面不同推进距离时覆岩采动裂隙分布情况。当工作面推采20 m 时，直接顶泥岩顶部出现较大离层，离层发育高度距煤层顶板11 m。当工作面推采40 m 时，采空区中部基本顶出现较大离层，中部存在少量纵向破断裂隙，直接顶泥岩发生初次垮落，垮落高度距煤层顶板25 m，随着工作面继续推采，直接顶泥岩随采随落。当工作面推采至60 m 时，基本顶发生初次垮落，即工作面初次来压，此时垮落高度距煤层顶板38 m，裂隙带高度121 m。

随着工作面推采距离增加、采动面积不断扩大，老顶发生周期性来压、垮落，周期来压垮落步距平均为20 m，覆岩垮落高度及裂隙带发育高度也随之发生变化。当工作面推采至180 m 时，离层裂隙发育至煤层顶板246 m，此时裂隙带高度达到最大并趋于稳定，裂隙带高度不再随着工作面推采而变化，但采高的增大会使得导水裂隙带高度增加，覆岩破坏范围加大。从整个覆岩采动裂隙演化过程可知，覆岩采动离层裂隙不断的向上演化，同时随着走向的推进，离层裂隙将会产生闭合和张开，其中离层裂隙最高为254 m，当工作面推采至200 m时，离层空间高度最大为2.2 m。

3 结论

根据数值模拟结果，文家坡煤矿首采区煤层回采后会形成离层空间，上覆白垩系地层变形量相对较小，随着工作面推采，离层空间逐渐向上发展，且在安定组顶部发育稳定并逐渐破裂，再次形成新的离层空间。工作面推采过程中离层空间周期性形成与破裂，最终导致安定组顶部形成较稳定充水离层的空间、变化过程，得出如下结论：

（1）随着煤层逐步回采，顶部离层逐渐形成，并在压力拱的作用下逐渐向上发育，中间部分离层逐渐形成之后在采空区压实区有所闭合，最终在安定组顶部形成较为稳定的离层空间。

（2）由于宜君组地层裂隙发育与安定组的弥合作用，安定组顶部离层空间为局部封闭型离层，在一定程度上形成补给而造成离层积水；

（3）数值模拟结果表明，工作面煤层采厚10 m条件下最大离层变形可达到 2.2 m；在煤层采厚较大时离层空间发育更为明显，在下部安定组地层弥合条件下离层积水量更大。