基于UDEC数值模拟的煤层群采动裂隙分布及演化规律分析

何成亮 谢小平 杨锦 敖富贵 成雁飞 代利红

摘要：为了揭示试验煤矿4煤层开采后顶底板岩层的应力、位移及裂隙的分布规律，分析采空区的冒落带、裂隙带、弯曲下层带的“三带”范围，从而确定4煤层的裂隙分布和演化规律，为钻孔的布置参数优化提供依据。文章通过数值模拟分析得出：1）随着工作面不断推进基本顶初次断裂，裂隙不断向上发展，上覆岩层离层裂隙最大高度达到距离煤层顶板34m处;2）在水平方向上，随着工作面的不断推进，裂隙的范围不断增大，以相似的裂隙分布形状周期性向前发育;在垂直方向上，随着工作面的不断推进，裂隙不断向上发展，顶板出现明显的断裂线，断裂角度约为50°，离层裂隙层跳跃式向上发展，最后在顶板上方22.1m处形成大量离层裂隙;3）4号煤层回采时，在采动的影响下，5号煤层处于4号煤层开采卸压区内，5号煤层出现大量穿层裂隙，透气性大增，5号煤层的瓦斯沿穿层裂隙涌向4号煤层工作面。

关键词：高瓦斯;煤层群;数值模拟;采动裂隙

引言

煤层瓦斯，又称为煤层气，赋存于煤层之中，近几年来，随着煤炭工业的发展，矿井数量及煤炭产量迅速增加，矿井向深部延伸过程中，一些低瓦斯矿井变为高瓦斯矿井和突出矿井，瓦斯危害越来越严重，频发的瓦斯灾害严重地威胁着矿井工作人员的生命安全，制约着矿井生产的发展。同时，瓦斯又是一种清洁、高效的能源，如果将瓦斯资源安全抽采并加以利用，则能实现能源供应、矿井安全生产和环境保护的统一。钱鸣高院士首次提出了“煤矿绿色开采”的概念[1-5]，煤与瓦斯共采技术是绿色开采的重要组成部分之一，其研究内容和发展方向具有重要的理论意义和现实意义。目前，我国煤矿在防治瓦斯灾害方面正在转变观念，在采掘部署上把煤层瓦斯抽采纳入煤矿正规生产的工艺流程，煤层瓦斯的开发和利用向规模化、系统化方向发展。将瓦斯作为一种资源抽采，能够减少高瓦斯突出矿井治理瓦斯灾害费用，提高生产效率，实现在抽采瓦斯资源的同时治

理矿井瓦斯灾害，形成一个良好的循环模式。

1.1矿井概况

沙曲煤矿位于山西省吕梁市境内，隶属于华晋焦煤有限责任公司。井田走向长22km，倾斜宽4.5～8km，面积约135km2。矿区含局部可采和可采煤层共9层，至上而下分别为2号～5号煤层（山西组）、6号～10号煤层（太原组），总厚度约为15.4m，煤质为优质焦煤。矿井南翼山西组2号煤层厚度为0.9m，其下方10m处为3号煤层，平均厚度为1.2m;其下方21.2m处为4号煤层，平均厚度为4.02m;其下方26.8m处为5号煤层，平均厚度为3.42m。全矿井瓦斯绝对涌出量479.91m3/min，相对瓦斯涌出量103.75m3/t，煤层透气性系数1.78～3.785m2/（MPa2·d），属于低透气性高瓦斯煤层群开采矿井。主采2号、3号、4号、5号煤层瓦斯压力分别为0.92Mpa、1.08Mpa、1.50Mpa、1.40Mpa，原始瓦斯含量分别为10.65m3·（t·r）-1、12.55m3·（t·r）-1、10.89m3·（t·r）-1、12.08m3·（t·r）-1，残余瓦斯量分别为3.40m3·（t·r）-1、3.50m3·（t·r）-1、3.54m3·（t·r）-1、3.64m3·（t·r）-1。矿井主采煤层瓦斯其它基础参数具体见表1。

1工程概况

1.2工作面概况

南翼4号煤层14301工作面内煤层厚度在2.2～2.7m之间，平均厚2.45m，倾角3°～6°，平均为4°，工作面内地质条件相对简单，整体为一单斜构造。14301工作面布置轨道巷、运输巷和尾巷，三条巷道垂直于南三集中胶带巷，形成“两进一回”通风方式。14301工作面设计倾斜长度为220m，可推进走向长度为1445m，采用倾向长壁采煤法，该工作面为南三采区首采工作面，南部为14302工作面（未开掘）;北部为杜峪村边界煤柱;西部为南三采区集中大巷，东部为胶泥垄村边界煤柱，14301工作面布置示意如图1所示。

2 卸压开采范围模拟分析

卸压开采后，周围的煤岩层向采空区移动，采空区上方岩体向采空区方向冒落形成冒落带、裂隙帶和弯曲下沉带，采空区下方煤岩体向采空区膨胀形成裂隙，使得上下方煤岩体产生应力、透气性、瓦斯压力、位移等变化[6-8]。卸压开采后应力重新分布，采用塑性区描述卸压范围，数值模拟结果如图2 所示。

从图2 中可以看出，4 号煤层开采后在煤层顶底板形成塑性区，在煤柱边界处沿塑性区边界作一条切线，便可得到上部煤层开采后，在采空区上下方形成的卸压范围，在倾向方向上，上部卸压角为48°，下部卸压角为42°，与集中载荷作用下顶底板岩体内应力分布等值线对照，可以得出：1）采空区上下方形成卸压保护区，卸压区为漏斗状，在4 号煤层上方以一定角度偏向煤柱一侧，4 号煤层下方以一定的角度偏向采空区一侧;2）被卸压保护的5 号煤层和3 号煤层处在卸压保护区内。

3 邻近煤层采动应力分布模拟分析

4 号煤层回采以后将会引起邻近的5 号、3 号煤层的垂直应力、水平应力和水平位移的变化，应力及位移的改变反映了邻近煤层的卸压情况。

采用数值模拟对4 号煤层回采时相邻煤岩层的垂直应力变化进行了模拟研究。图3 为垂直应力变化结果（工作面始采位置及停采位置对应的坐标为80、220m），由图3 可见，4 号煤层开采之后，5 号煤层和3 号煤层开始卸压。5 号煤层处于4 号煤层的底板位置，并且距离4 号煤层只有5.6m，因此5 号煤层随着4 号煤层的开采而卸压，卸压效果明显最小垂直应力位于工作面附近，最小值接近于0。3 号煤层距离处于4 号煤层上方10 处，位于4 号煤层基本顶上方，基本顶破断以后3 号煤层才出现明显的卸压，当工作面推进30m，3 号煤层的垂直应力将为原始应力的87%，说明3 号煤层已经充分卸压。

通过以上数值模拟结果可以看出，4 号煤层的开采将破坏4 号煤层邻近煤岩层的原岩应力场，使得邻近煤岩层产生不同程度的卸压，煤岩层产生膨胀变形，从而使煤岩体内产生大量的顺层及穿层裂隙，为瓦斯提供运移通道和富集区域。

4 结论

通过对4 号煤层的顶底板情况进行数值模型分析，主要结论有：（1）工作面推进15m 时直接顶冒落，冒落高度为3.4m，基本顶未断裂，裂隙发育不明显;当工作面推进到35m 时基本顶初次断裂，裂隙不断向上发展，上覆岩层离层裂隙最大高度达到距离煤层顶板13.2m 处。此后随着工作面的推进裂隙发育区不断向上发展，当工作面推进50m 时工作面顶板上方22.1m 处出现离层裂隙，裂隙的发育高度达到了34m，此后，随着工作面的推进，裂隙的发育高度基本稳定在34m。

（2）通过数值模拟分析得出，在水平方向上，随着工作面的不断推进，裂隙的范围不断增大，以相似的裂隙分布形状周期性向前发育;在垂直方向上，随着工作面的不断推进，裂隙不断向上发展，顶板出现明显的断裂线，断裂角度约为50°，离层裂隙层跳跃式向上发展，最后在顶板上方22.1m處形成大量离层裂隙。

（3）4 号煤层回采时，在采动的影响下，5 号煤层处于4 号煤层开采卸压区内，5 号煤层出现大量穿层裂隙，透气性大增，5 号煤层的瓦斯沿穿层裂隙涌向4 号煤层工作面。

参考文献：

[1]刘 佳，赵耀江，施恭东，刘红威.深孔定向钻进技术与装备在我国矿井瓦斯抽采中的应用[J].煤炭工程，2017，49（7）：106-110.

[2]肖东辉，苏军康，克里斯.弗睿尔.VLD-1000 定向钻机在构造软煤层中的成功应用[J].煤炭技术，2015，34（6）：229-232.

[3]董红娟，张金山，李文哲，王 岩.顺层定向千米长钻孔抽采半径时变规律研究[J]. 煤矿安全，2017，48（3）：9-12.

[4]张利军，王志豪.远高位裂隙带长距离钻孔在高瓦斯矿井中的应用[J].煤炭工程，2015，47（5）：55-60.

[5]刘 应 科.远距离下保护层开采卸压特性及钻井抽采消突研究[J].煤炭学报，2012，37（6）：1067-1068.

[6]林海飞，李树刚，赵鹏翔.我国煤矿覆岩采动裂隙带卸压瓦斯抽采技术研究进展[J]. 煤炭科学技术，2018，46（1）：28-35.

[7]李胜，毕慧杰，罗明坤，等.高瓦斯综采工作面顶板走向高抽巷布置研究[J]. 煤 炭 科 学 技 术，2017，45（7）：61-67.

[8]谢小平.薄煤层切顶卸压无煤柱沿空留巷技术研究[J]. 煤炭技术，2017，37（7）：36-38.

作者简介：何成亮（2001.03-），男，汉族，贵州省威宁县人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习和研究。

国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：202110977009）