采動覆巖裂隙動態(tài)演化規(guī)律的三維模擬

采動覆巖裂隙動態(tài)演化規(guī)律的三維模擬史博文;白建平;郝春生;楊昌永;姚晉寶【摘要】Basedonthediscreteelementmethodofdiscontinuousmedia,thewholeprocessanalysisofoverlyingstratummigrationandfractureevolutionincoalminingprocessof3213faceofXinjingMineiscarriedoutbyusing3Dnumericalsimulationsoftware.Theresultsshowthattheshapeandsizeoffracturedenrichmentareaofoverburdenrockwillchangewiththeadvancingofworkingface.Attheinitialstageofworkingfaceadvancing,ittakesontheshapeof\"arch\".Whenworkingfaceadvancesto80m,ittakesontheshapeof\"hollowcirculararch\"duetothegradualcompactionofthecentralfissureinthegoaf,andbecomes\"circularring\"aftertheminingiscompleted,andtherearesomedifferencesinthesizeofthefractureenrichmentzonesatdifferentpositionsinthe\"circle\".Themorphologyofthefractureenrichmentareaatbothendsofthegoaftendencyisapproximatelythesame,andalongtheminingdirection,thewidthandheightofthefissureenrichmentareaabovetheworkingfaceisslightlylargerthantheopen-offcut.%以新景礦3213工作面為背景，基于非連續(xù)介質(zhì)的離散元方法,對工作面回采過程中覆巖運(yùn)移和裂隙演化規(guī)律進(jìn)行了三維全過程數(shù)值模擬.研究結(jié)果表明:覆巖的裂隙富集區(qū)形態(tài)、大小范圍會隨著工作面的推進(jìn)發(fā)生變化;在工作面推進(jìn)初期呈\”拱形\”形態(tài)，當(dāng)推進(jìn)到80m時由于采空區(qū)中部裂隙逐漸壓實(shí)而呈'”中部鏤空的圓拱型\"形態(tài)，開采完成后則成\”圓環(huán)狀\”形態(tài);且在此\”圓環(huán)'”中不同位置的裂隙富集區(qū)大小也存在一定差異，在采空區(qū)傾向兩端的裂隙富集區(qū)形態(tài)近似相同，而沿工作面走向,工作面上方裂隙富集區(qū)的寬度和高度略大于開切眼處.【期刊名稱】《煤礦安全》【年(卷)，期】2019(050)007【總頁數(shù)】4頁(P259-262)【關(guān)鍵詞】數(shù)值模擬;覆巖運(yùn)移;裂隙富集區(qū);離散元;數(shù)值模擬【作者】史博文;白建平;郝春生;楊昌永;姚晉寶【作者單位】河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454000;易安藍(lán)焰煤與煤層氣共采技術(shù)有限責(zé)任公司,山西太原030000;山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司,山西晉城048006;易安藍(lán)焰煤與煤層氣共采技術(shù)有限責(zé)任公司仙西太原030000;煤與煤層氣共采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室仙西晉城048000;易安藍(lán)焰煤與煤層氣共采技術(shù)有限責(zé)任公司,山西太原030000;煤與煤層氣共采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西晉城048000;易安藍(lán)焰煤與煤層氣共采技術(shù)有限責(zé)任公司仙西太原030000;煤與煤層氣共采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西晉城048000【正文語種】中文【中圖分類】TD325我國大部分礦區(qū)煤層瓦斯賦存具有〃三高三低”的特征，尤其是低滲透性使煤層瓦斯預(yù)抽效果不甚理想，故以采動卸壓瓦斯抽采為主。卸壓瓦斯主要積聚在采空區(qū)上方的裂隙富集區(qū)，因此確定工作面回采完成后覆巖裂隙發(fā)育形態(tài)、大小、范圍尤為重要。錢鳴高、許家林采用模型實(shí)驗(yàn)、離散元模擬的方法揭示了工作面覆巖采動裂隙的兩階段發(fā)展規(guī)律與“O”型圈分布特征［1］；袁亮院士通過研究確立了低透氣性煤層群瓦斯高效抽采的高位環(huán)形裂隙體及其判別方法［2-3］；林海飛基于“O”型圈理論，提出了〃采動裂隙圓角矩形梯臺帶”工程簡化模型，并對其動態(tài)演化過程進(jìn)行了分析［4-5］；李樹剛教授基于巖層控制關(guān)鍵層理論，建立了考慮采高及第一亞關(guān)鍵層與煤層頂板間距的采動裂隙橢拋帶動態(tài)演化數(shù)學(xué)模型［6-8］；吳仁倫［9-10］、朱迅國［11］、許滿貴［12］、高喜才［13］、喬小龍［14］、孫波［15］采用相似模擬、數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測、理論分析等多種方法研究了煤層采高、工作面面寬、煤層傾角、埋深等不同條件下的覆巖運(yùn)動和裂隙發(fā)育規(guī)律。由于覆巖采動裂隙受眾多因素影響，難以通過1種模型對所有工作面進(jìn)行描述；且以往的研究多是以平面情況下的工作面作為研究對象，忽略了側(cè)向應(yīng)力對覆巖運(yùn)動的影響，因此以新景礦3213工作面為背景，選用離散元數(shù)值模擬軟件CDEM進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算，對回采過程中覆巖運(yùn)移和裂隙演化的動態(tài)過程進(jìn)行分析。1工程概況以新景礦3213工作面為例，工作面長210m，走向推進(jìn)長度1620m,開采區(qū)內(nèi)煤層平均厚度為2.5m,傾角1。~3。，整體賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，一般含1層夾石；煤層以鏡煤、亮煤為主，內(nèi)生裂隙發(fā)育。煤層上覆頂板巖層的構(gòu)成為砂質(zhì)泥巖和粗粒砂巖，上覆基巖厚度為460~520m。采場圍巖和煤層埋藏關(guān)系和物理力學(xué)性質(zhì)見表1。表1煤層及覆巖物理力學(xué)性質(zhì)巖性層厚/m密度/(g-cm-3)彈性模量/GPa抗拉強(qiáng)度/MPa泊松比砂質(zhì)泥巖中粒砂巖砂質(zhì)泥巖中粒砂巖砂質(zhì)泥巖中粒砂巖砂質(zhì)泥巖中粒砂巖砂質(zhì)泥巖3#煤層砂質(zhì)泥巖中粒砂巖砂質(zhì)泥巖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數(shù)值計(jì)算模型及參數(shù)根據(jù)3213綜采工作面的地質(zhì)條件和覆巖實(shí)際厚度，確定模型x、y、z方向的尺寸為250mx96.8mx200m,模型共分為11層，共包含543437個節(jié)點(diǎn)，422183個塊體。3213工作面煤層埋深480m，模型中包含的上覆巖層厚度為77.6m,未包含的400.4m覆巖采用邊界載荷代替，計(jì)算得施加載荷為10MPa。模型四周采用橫向位移約束，底面為固定約束。模型采用莫爾-庫倫屈服準(zhǔn)則。煤層開挖尺寸為150mx2.5mx100m,分為30次開挖，每次開挖沿走向(x軸方向)推進(jìn)5m。數(shù)值模型如圖1。圖1數(shù)值模型3計(jì)算結(jié)果分析3.1覆巖運(yùn)動及位移結(jié)果分析為了分析回采過程中的覆巖運(yùn)動情況，選取工作面推進(jìn)到15、35、45、55、75、85、100、150m的位移云圖進(jìn)行分析。工作面推進(jìn)過程中覆巖位移云圖如圖2。圖2工作面推進(jìn)過程中覆巖位移云圖從開切眼開始，隨工作面推進(jìn)距離的增大，直接頂懸空距變大，受自重影響發(fā)生直接頂彎曲，當(dāng)懸空距達(dá)到極限后，直接頂發(fā)生破斷，垮落充填采空區(qū)，形成垮落帶，如圖2(a)。當(dāng)工作面推進(jìn)到35m時，基本頂中粒砂巖初次失穩(wěn)，發(fā)生初次垮落，造成工作面初次來壓，如圖2(b)。當(dāng)工作面推進(jìn)到45m時，基本頂發(fā)生第1次周期垮落，垮落帶上方形成砌體梁結(jié)構(gòu)，垮落巖層高度為11.3m,離層裂隙發(fā)育到煤層上方16.1m,如圖2(c)。當(dāng)工作面推進(jìn)到55m時，基本頂發(fā)生第2次周期失穩(wěn)，砌體梁結(jié)構(gòu)向工作面前方移動，垮落巖層高度15.9m,如圖2(d)oT作面推進(jìn)到75m時，工作面發(fā)生第3次周期來壓，煤層上方26.76m的覆巖內(nèi)產(chǎn)生貫穿裂隙并斷裂垮落，模型上部未垮落覆巖受自重和載荷影響，開始發(fā)生彎曲下沉現(xiàn)象，且在垮落巖層與彎曲下層巖層間產(chǎn)生較大的離層裂隙，如圖2(e)oT作面推進(jìn)到85m時，工作面發(fā)生第4次周期來壓，模型上部覆巖整體彎曲下層，與下部垮落巖層接觸，離層裂隙被壓實(shí)，模型頂部最大下沉量為0.8m,如圖2(f)。圖2(g)~圖2(h)為工作面第5次周期來壓位移云圖和回采完成后云圖，可知，在推進(jìn)到100m時，模型頂部最大下沉量開始穩(wěn)定，值為1.58m。3.2覆巖運(yùn)動過程中的應(yīng)力結(jié)果分析為研究開采過程中應(yīng)力動態(tài)變化規(guī)律，選取回采10、80、105、150m時沿工作面走向的垂直切面及回采完成后距煤層10、30、50、70m的水平切面應(yīng)力云圖進(jìn)行分析。工作面推進(jìn)過程中覆巖應(yīng)力云圖如圖3。開挖10m、80m時的應(yīng)力云圖如圖3(a)和圖3(b)，由圖可知：采空區(qū)的出現(xiàn)導(dǎo)致上方覆巖開始形成拱形卸壓區(qū)，隨著工作面的推進(jìn)，卸壓拱逐漸變大，在開挖到80m時，卸壓拱發(fā)育到最高位置，不再向上發(fā)育，而是水平進(jìn)行發(fā)展，且卸壓拱中部開始出現(xiàn)應(yīng)力恢復(fù)區(qū)。由圖3(c)~圖3(d)可知，回采到105m時，壓實(shí)區(qū)貫通，將卸壓拱分為2部分，分別位于開切眼和工作面上部，之后隨著工作面的推進(jìn)，開切眼上方的卸壓區(qū)無明顯變化，中部壓實(shí)區(qū)逐漸變大，工作面上方卸壓區(qū)沿推進(jìn)方向運(yùn)動。圖3工作面推進(jìn)過程中覆巖應(yīng)力云圖水平應(yīng)力云圖如圖4。由圖4(a)~圖4(d)可知，在水平方向，卸壓區(qū)呈“O”型圈分布，且工作面上方卸壓區(qū)要略大于開切眼上方卸壓區(qū)，沿工作面傾向的左右兩端的卸壓區(qū)寬度相等。距離煤層越遠(yuǎn)，卸壓區(qū)的范圍越小，卸壓區(qū)的應(yīng)力也逐漸增大。圖4水平應(yīng)力云圖3.3覆巖運(yùn)動裂隙演化分析為便于分析煤體裂隙場的動態(tài)變化規(guī)律，以覆巖的卸壓作為裂隙是否富集的標(biāo)準(zhǔn)。定義卸壓系數(shù)r來反映，采動過程中任意一點(diǎn)的卸壓系數(shù)r=1-采動卸壓后的應(yīng)力值/原巖應(yīng)力值。根據(jù)覆巖卸壓于采動裂隙之間的關(guān)系，將r小于0.2的區(qū)域看作裂隙富集區(qū)；r值處于0.2~0.5之間的區(qū)域?yàn)楫a(chǎn)生離層裂隙但未產(chǎn)生觀察裂隙區(qū)域;r值大于0.5的區(qū)域?yàn)椴蓜佑绊戄^弱區(qū)。結(jié)合不同推進(jìn)距離下的應(yīng)力云圖，得出裂隙富集區(qū)形態(tài)動態(tài)變化過程如圖5。圖5不同推進(jìn)距離下的裂隙富集區(qū)形態(tài)由圖5可知，從工作面開切眼到回采60m時，裂隙富集區(qū)呈拱形，且隨工作面的推進(jìn)，拱形逐漸變大，在推進(jìn)到60m時，拱形高度開始穩(wěn)定，距煤層距離為51.7m。當(dāng)回采到80m時，采空區(qū)中部出現(xiàn)重新壓實(shí)區(qū)，裂隙富集區(qū)呈現(xiàn)中部鏤空的圓拱型。在推進(jìn)到105m時，采空區(qū)中部的裂隙被上位巖層的移動壓實(shí)，裂隙富集區(qū)呈圓環(huán)狀，開切眼上方裂隙富集區(qū)發(fā)育高度為44.02m，寬度為22.52m，工作面上方裂隙富集區(qū)發(fā)育高度為50.2m，寬度為30.2m;工作面繼續(xù)推進(jìn)，壓實(shí)區(qū)逐漸變大，而裂隙富集區(qū)寬度和高度無明顯變化。工作面回采完成后，開切眼上方裂隙富集區(qū)發(fā)育高度為38.09m，寬度為21m，工作面上方裂隙富集區(qū)發(fā)育高度為50.2m，寬度為27.6m。工作面傾向應(yīng)力云圖如圖6，由圖可知，工作面兩端上方裂隙富集區(qū)大小和形狀相同，發(fā)育高度為41.13m，寬度為22.35m。圖6x=125m切面應(yīng)力云圖4結(jié)論1）工作面回采對頂板巖層位移發(fā)展影響明顯，隨著來壓的發(fā)生，覆巖垮落高度和離層裂隙高度逐步增加，在推進(jìn)到100m時，模型頂部最大下沉量開始穩(wěn)定，值為1.58m。2）構(gòu)建了回采過程中的裂隙富集區(qū)形態(tài)的動態(tài)變化模型，確定了裂隙區(qū)的發(fā)育高度和寬度，為覆巖裂隙中卸壓瓦斯抽采鉆孔位置的確定提供了理論依據(jù)。【相關(guān)文獻(xiàn)】[1]錢鳴高，許家林.覆巖采動裂隙分布的"O”形圈特征研究[J].煤炭學(xué)報，1998(5):20-23.[2]劉澤功，袁亮，戴廣龍，等.開采煤層頂板環(huán)形裂隙圈內(nèi)走向長鉆孔法抽放瓦斯研究[J].中國工程科學(xué)，2004,6(5):32-38.[3]袁亮，郭華，沈?qū)毺茫?低透氣性煤層群煤與瓦斯共采中的高位環(huán)形裂隙體[」].煤炭學(xué)報，2011,36(3):357-365.[4]林海飛，李樹剛，成連華，等.覆巖采動裂隙帶動態(tài)演化模型的實(shí)驗(yàn)分析[J].采礦與安全工程學(xué)報，2011,28(2):298-303.[5]林海飛，李樹剛，趙鵬翔，等.我國煤礦覆巖采動裂隙帶卸壓瓦斯抽采技術(shù)研究進(jìn)展[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2018,46(1):28-35.[6]李樹剛，丁洋，安朝峰，等.近距離煤層重復(fù)采動覆巖裂隙形態(tài)及其演化規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報，2016(5):904-910.[7]李樹剛，林海飛，趙鵬翔，等.采動裂隙橢拋帶動態(tài)演化及煤與甲烷共采[J].煤炭學(xué)報，2014,39(8):1455.[8]李樹剛，石平五，錢鳴高.覆巖采動裂隙橢拋帶動態(tài)分布特征研究[J].采礦與安全工程學(xué)報，1999(3):44.[9]吳仁倫，王繼林，折志龍，等.煤層采高對采動覆巖瓦斯卸壓運(yùn)移"三帶”范圍的影響[J].采礦與安全工程學(xué)報，2017,34(6):1223-1231.[10]吳仁倫，王亞飛，徐東亮，等.工作面面寬對煤層群開采瓦斯卸壓運(yùn)移"三帶”范圍的影響[J].采礦與安全工程學(xué)報，2017,34(1):192-198.[11]朱訓(xùn)國，夏洪春，王忠昶.煤層開采過程中覆巖移動規(guī)律的UDEC數(shù)值模擬[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，20