采动覆岩裂隙动态演化规律的三维模拟

采动覆岩裂隙动态演化规律的三维模拟史博文;白建平;郝春生;杨昌永;姚晋宝【摘要】Basedonthediscreteelementmethodofdiscontinuousmedia,thewholeprocessanalysisofoverlyingstratummigrationandfractureevolutionincoalminingprocessof3213faceofXinjingMineiscarriedoutbyusing3Dnumericalsimulationsoftware.Theresultsshowthattheshapeandsizeoffracturedenrichmentareaofoverburdenrockwillchangewiththeadvancingofworkingface.Attheinitialstageofworkingfaceadvancing,ittakesontheshapeof\"arch\".Whenworkingfaceadvancesto80m,ittakesontheshapeof\"hollowcirculararch\"duetothegradualcompactionofthecentralfissureinthegoaf,andbecomes\"circularring\"aftertheminingiscompleted,andtherearesomedifferencesinthesizeofthefractureenrichmentzonesatdifferentpositionsinthe\"circle\".Themorphologyofthefractureenrichmentareaatbothendsofthegoaftendencyisapproximatelythesame,andalongtheminingdirection,thewidthandheightofthefissureenrichmentareaabovetheworkingfaceisslightlylargerthantheopen-offcut.%以新景矿3213工作面为背景，基于非连续介质的离散元方法,对工作面回采过程中覆岩运移和裂隙演化规律进行了三维全过程数值模拟.研究结果表明:覆岩的裂隙富集区形态、大小范围会随着工作面的推进发生变化;在工作面推进初期呈\”拱形\”形态，当推进到80m时由于采空区中部裂隙逐渐压实而呈'”中部镂空的圆拱型\"形态，开采完成后则成\”圆环状\”形态;且在此\”圆环'”中不同位置的裂隙富集区大小也存在一定差异，在采空区倾向两端的裂隙富集区形态近似相同，而沿工作面走向,工作面上方裂隙富集区的宽度和高度略大于开切眼处.【期刊名称】《煤矿安全》【年(卷)，期】2019(050)007【总页数】4页(P259-262)【关键词】数值模拟;覆岩运移;裂隙富集区;离散元;数值模拟【作者】史博文;白建平;郝春生;杨昌永;姚晋宝【作者单位】河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作454000;易安蓝焰煤与煤层气共采技术有限责任公司,山西太原030000;山西蓝焰煤层气集团有限责任公司,山西晋城048006;易安蓝焰煤与煤层气共采技术有限责任公司仙西太原030000;煤与煤层气共采国家重点实验室仙西晋城048000;易安蓝焰煤与煤层气共采技术有限责任公司,山西太原030000;煤与煤层气共采国家重点实验室,山西晋城048000;易安蓝焰煤与煤层气共采技术有限责任公司仙西太原030000;煤与煤层气共采国家重点实验室,山西晋城048000【正文语种】中文【中图分类】TD325我国大部分矿区煤层瓦斯赋存具有〃三高三低”的特征，尤其是低渗透性使煤层瓦斯预抽效果不甚理想，故以采动卸压瓦斯抽采为主。卸压瓦斯主要积聚在采空区上方的裂隙富集区，因此确定工作面回采完成后覆岩裂隙发育形态、大小、范围尤为重要。钱鸣高、许家林采用模型实验、离散元模拟的方法揭示了工作面覆岩采动裂隙的两阶段发展规律与“O”型圈分布特征［1］；袁亮院士通过研究确立了低透气性煤层群瓦斯高效抽采的高位环形裂隙体及其判别方法［2-3］；林海飞基于“O”型圈理论，提出了〃采动裂隙圆角矩形梯台带”工程简化模型，并对其动态演化过程进行了分析［4-5］；李树刚教授基于岩层控制关键层理论，建立了考虑采高及第一亚关键层与煤层顶板间距的采动裂隙椭抛带动态演化数学模型［6-8］；吴仁伦［9-10］、朱迅国［11］、许满贵［12］、高喜才［13］、乔小龙［14］、孙波［15］采用相似模拟、数值模拟、现场监测、理论分析等多种方法研究了煤层采高、工作面面宽、煤层倾角、埋深等不同条件下的覆岩运动和裂隙发育规律。由于覆岩采动裂隙受众多因素影响，难以通过1种模型对所有工作面进行描述；且以往的研究多是以平面情况下的工作面作为研究对象，忽略了侧向应力对覆岩运动的影响，因此以新景矿3213工作面为背景，选用离散元数值模拟软件CDEM进行三维数值计算，对回采过程中覆岩运移和裂隙演化的动态过程进行分析。1工程概况以新景矿3213工作面为例，工作面长210m，走向推进长度1620m,开采区内煤层平均厚度为2.5m,倾角1。~3。，整体赋存稳定，结构简单，一般含1层夹石；煤层以镜煤、亮煤为主，内生裂隙发育。煤层上覆顶板岩层的构成为砂质泥岩和粗粒砂岩，上覆基岩厚度为460~520m。采场围岩和煤层埋藏关系和物理力学性质见表1。表1煤层及覆岩物理力学性质岩性层厚/m密度/(g-cm-3)弹性模量/GPa抗拉强度/MPa泊松比砂质泥岩中粒砂岩砂质泥岩中粒砂岩砂质泥岩中粒砂岩砂质泥岩中粒砂岩砂质泥岩3#煤层砂质泥岩中粒砂岩砂质泥岩44.0010.0044.006.009.501.806.806.003.302.503.202.9010.802.482.652.342.652.342.652.342.812.481.352.482.812.4825.014.514.114.514.114.514.131.025.02.9725.031.025.01.103.201.003.201.003.201.104.101.100.381.104.101.100.310.270.240.270.240.270.310.230.310.280.310.230.312数值计算模型及参数根据3213综采工作面的地质条件和覆岩实际厚度，确定模型x、y、z方向的尺寸为250mx96.8mx200m,模型共分为11层，共包含543437个节点，422183个块体。3213工作面煤层埋深480m，模型中包含的上覆岩层厚度为77.6m,未包含的400.4m覆岩采用边界载荷代替，计算得施加载荷为10MPa。模型四周采用横向位移约束，底面为固定约束。模型采用莫尔-库伦屈服准则。煤层开挖尺寸为150mx2.5mx100m,分为30次开挖，每次开挖沿走向(x轴方向)推进5m。数值模型如图1。图1数值模型3计算结果分析3.1覆岩运动及位移结果分析为了分析回采过程中的覆岩运动情况，选取工作面推进到15、35、45、55、75、85、100、150m的位移云图进行分析。工作面推进过程中覆岩位移云图如图2。图2工作面推进过程中覆岩位移云图从开切眼开始，随工作面推进距离的增大，直接顶悬空距变大，受自重影响发生直接顶弯曲，当悬空距达到极限后，直接顶发生破断，垮落充填采空区，形成垮落带，如图2(a)。当工作面推进到35m时，基本顶中粒砂岩初次失稳，发生初次垮落，造成工作面初次来压，如图2(b)。当工作面推进到45m时，基本顶发生第1次周期垮落，垮落带上方形成砌体梁结构，垮落岩层高度为11.3m,离层裂隙发育到煤层上方16.1m,如图2(c)。当工作面推进到55m时，基本顶发生第2次周期失稳，砌体梁结构向工作面前方移动，垮落岩层高度15.9m,如图2(d)oT作面推进到75m时，工作面发生第3次周期来压，煤层上方26.76m的覆岩内产生贯穿裂隙并断裂垮落，模型上部未垮落覆岩受自重和载荷影响，开始发生弯曲下沉现象，且在垮落岩层与弯曲下层岩层间产生较大的离层裂隙，如图2(e)oT作面推进到85m时，工作面发生第4次周期来压，模型上部覆岩整体弯曲下层，与下部垮落岩层接触，离层裂隙被压实，模型顶部最大下沉量为0.8m,如图2(f)。图2(g)~图2(h)为工作面第5次周期来压位移云图和回采完成后云图，可知，在推进到100m时，模型顶部最大下沉量开始稳定，值为1.58m。3.2覆岩运动过程中的应力结果分析为研究开采过程中应力动态变化规律，选取回采10、80、105、150m时沿工作面走向的垂直切面及回采完成后距煤层10、30、50、70m的水平切面应力云图进行分析。工作面推进过程中覆岩应力云图如图3。开挖10m、80m时的应力云图如图3(a)和图3(b)，由图可知：采空区的出现导致上方覆岩开始形成拱形卸压区，随着工作面的推进，卸压拱逐渐变大，在开挖到80m时，卸压拱发育到最高位置，不再向上发育，而是水平进行发展，且卸压拱中部开始出现应力恢复区。由图3(c)~图3(d)可知，回采到105m时，压实区贯通，将卸压拱分为2部分，分别位于开切眼和工作面上部，之后随着工作面的推进，开切眼上方的卸压区无明显变化，中部压实区逐渐变大，工作面上方卸压区沿推进方向运动。图3工作面推进过程中覆岩应力云图水平应力云图如图4。由图4(a)~图4(d)可知，在水平方向，卸压区呈“O”型圈分布，且工作面上方卸压区要略大于开切眼上方卸压区，沿工作面倾向的左右两端的卸压区宽度相等。距离煤层越远，卸压区的范围越小，卸压区的应力也逐渐增大。图4水平应力云图3.3覆岩运动裂隙演化分析为便于分析煤体裂隙场的动态变化规律，以覆岩的卸压作为裂隙是否富集的标准。定义卸压系数r来反映，采动过程中任意一点的卸压系数r=1-采动卸压后的应力值/原岩应力值。根据覆岩卸压于采动裂隙之间的关系，将r小于0.2的区域看作裂隙富集区；r值处于0.2~0.5之间的区域为产生离层裂隙但未产生观察裂隙区域;r值大于0.5的区域为采动影响较弱区。结合不同推进距离下的应力云图，得出裂隙富集区形态动态变化过程如图5。图5不同推进距离下的裂隙富集区形态由图5可知，从工作面开切眼到回采60m时，裂隙富集区呈拱形，且随工作面的推进，拱形逐渐变大，在推进到60m时，拱形高度开始稳定，距煤层距离为51.7m。当回采到80m时，采空区中部出现重新压实区，裂隙富集区呈现中部镂空的圆拱型。在推进到105m时，采空区中部的裂隙被上位岩层的移动压实，裂隙富集区呈圆环状，开切眼上方裂隙富集区发育高度为44.02m，宽度为22.52m，工作面上方裂隙富集区发育高度为50.2m，宽度为30.2m;工作面继续推进，压实区逐渐变大，而裂隙富集区宽度和高度无明显变化。工作面回采完成后，开切眼上方裂隙富集区发育高度为38.09m，宽度为21m，工作面上方裂隙富集区发育高度为50.2m，宽度为27.6m。工作面倾向应力云图如图6，由图可知，工作面两端上方裂隙富集区大小和形状相同，发育高度为41.13m，宽度为22.35m。图6x=125m切面应力云图4结论1）工作面回采对顶板岩层位移发展影响明显，随着来压的发生，覆岩垮落高度和离层裂隙高度逐步增加，在推进到100m时，模型顶部最大下沉量开始稳定，值为1.58m。2）构建了回采过程中的裂隙富集区形态的动态变化模型，确定了裂隙区的发育高度和宽度，为覆岩裂隙中卸压瓦斯抽采钻孔位置的确定提供了理论依据。【相关文献】[1]钱鸣高，许家林.覆岩采动裂隙分布的"O”形圈特征研究[J].煤炭学报，1998(5):20-23.[2]刘泽功，袁亮，戴广龙，等.开采煤层顶板环形裂隙圈内走向长钻孔法抽放瓦斯研究[J].中国工程科学，2004,6(5):32-38.[3]袁亮，郭华，沈宝堂，等.低透气性煤层群煤与瓦斯共采中的高位环形裂隙体[」].煤炭学报，2011,36(3):357-365.[4]林海飞，李树刚，成连华，等.覆岩采动裂隙带动态演化模型的实验分析[J].采矿与安全工程学报，2011,28(2):298-303.[5]林海飞，李树刚，赵鹏翔，等.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.[6]李树刚，丁洋，安朝峰，等.近距离煤层重复采动覆岩裂隙形态及其演化规律实验研究[J].采矿与安全工程学报，2016(5):904-910.[7]李树刚，林海飞，赵鹏翔，等.采动裂隙椭抛带动态演化及煤与甲烷共采[J].煤炭学报，2014,39(8):1455.[8]李树刚，石平五，钱鸣高.覆岩采动裂隙椭抛带动态分布特征研究[J].采矿与安全工程学报，1999(3):44.[9]吴仁伦，王继林，折志龙，等.煤层采高对采动覆岩瓦斯卸压运移"三带”范围的影响[J].采矿与安全工程学报，2017,34(6):1223-1231.[10]吴仁伦，王亚飞，徐东亮，等.工作面面宽对煤层群开采瓦斯卸压运移"三带”范围的影响[J].采矿与安全工程学报，2017,34(1):192-198.[11]朱训国，夏洪春，王忠昶.煤层开采过程中覆岩移动规律的UDEC数值模拟[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，20