大采高工作面上覆巖層發育特征的數值模擬

杜 康

(山西潞安集團余吾煤業有限公司)

大采高工作面上覆巖層發育特征的數值模擬

杜 康

(山西潞安集團余吾煤業有限公司)

為掌握上屯留煤礦上覆巖層的發育特征，以該礦S2106工作面為研究對象，采用UDEC數值模擬軟件建立了數值模型，對其上覆巖層的移動規律進行了研究，并得出以下結論：工作面推進45 m時，冒落帶高度發育到了31 m，且基本上不再向上發育；當工作面推進60 m時，裂隙帶高度為61 m，基本上也不再隨著工作面的推進向上發育。

冒落帶 裂隙帶 上覆巖層 數值模擬

隨著我國經濟和科學技術的快速發展，采煤裝備得到了很大的改進，出現了6 m以上的一次采全高的大采高工作面，大大提高煤炭的采出率和工作效率，減少了工作面的搬家次數，降低了人力、物力的消耗。但由于大采高工作的采出空間大，上覆巖層移動劇烈，給大采高工作面帶來了工作面片幫、周期來壓大及易產生壓架等問題。因此，研究上覆巖層的發育特征有重要意義[1-3]。

國內外不少學者對上覆巖層發育特征進行了研究。王皓等以安山煤礦2002工作面為對象，研究了淺埋煤層過溝時上覆巖層的破壞規律[4]；張若宇等對充填開采上覆巖層裂隙結構進行了研究[5]；楊鵬以補連塔煤礦12406 工作面為對象，對其上覆巖層采動裂隙演化規律進行了相似模擬研究[6]；高云等以常村煤礦N3-8工作面為對象，采用FLAC3D數值模擬軟件，對其上覆巖層裂隙發育特征進行了研究[7]。筆者以屯留煤礦S2106工作面為對象，研究了該礦上覆巖層在大采高下的移動規律，分析了冒落帶和裂隙帶的發育高度。

1 礦井概況

余吾煤業屯留井田位于山西省屯留、襄垣縣境內，潞礦集團的西部。余吾煤業是潞安集團投資建設的一座大型現代化礦井，井田面積160.24 km2，可采儲量6.79億t，主采3#煤層平均厚度6 m。潞安集團余吾煤業S2106為該礦單“U”+高、低位頂板抽放巷瓦斯治理模式試驗工作面，從西向東3#煤層整體近似為一單斜構造，平均坡度5°，東高西低，埋藏深度480～543 m。工作面原始瓦斯含量9.484 6 m3/t，由于預抽時間較短，回采期間可解析瓦斯含量7.332 4 m3/t。工作面回采平距1 284 m，切眼平距312 m，為大采長工作面。

2 模型建立

采煤工作面為一個三維空間，分析工作面在回采過程中上覆巖層的移動特征，選擇剖面(A-A)建立數值模擬模型。模型高度144 m, 寬200 m，UDEC數值模擬模型如圖1所示。

圖1 工作面布置示意

3 數值模擬結果分析

本次建模主要考慮了煤層以上的15層覆巖移動情況，巖層主要參數如表1所示。

從表1可以看出，17層巖層的力學性質有很大差異，厚薄差異較大，對上覆巖層的移動會產生很大的影響。因此，為了更好地對上覆巖層的移動狀況進行研究，依據上覆巖層厚度以及力學性質等參數，將每一層巖體都作為一個組，設置相同的力學參數，然后再將其劃分成若干個塊體。圖2為數值模擬示意，圖3為上覆巖層隨工作面推進的移動和裂隙發育狀況。

從圖3可以看出，隨著工作面的推進，大采高工作面上覆巖層移動比較劇烈，冒落帶發育高度較高，符合冒落帶高度是采高4～6倍建模經驗值。當工作面向前推進10 m時(圖3(a))，工作面直接頂開始垮落，垮落高度約4.55 m；工作面繼續推進，冒落帶高度持續向上發展，一直從直接頂發展到老頂，再到覆巖層中的泥巖、砂質泥巖，當工作面推進到45 m時，冒落帶發展到了亞關鍵層，冒落帶高度達到最大，且基本穩定在31 m左右；隨著工作面持續推進，亞關鍵層開始斷裂垮落，采空區開始逐步被充滿，當工作面推進到60 m時(圖3(c))，在亞關鍵層上部局部區域出現離層裂隙，并隨著工作面的繼續向前推進，裂隙帶也持續向上發展，但是當其發展到主關鍵層時不再向上發育了，最終發育高度為61 m；當工作面繼續向前推進，主關鍵層以上巖層不再出現拉張裂隙，而是與主關鍵層同步，保持其整體形狀，形成了彎曲下沉帶。

表1 UDEC數值模擬中的巖層力學參數

圖2 數值模擬

通過圖3和以上的分析，得到大采高工作面形成的冒落帶高度為31 m左右，裂隙帶高度為61 m左右。

4 結 論

以屯留煤礦為研究對象，運用UDEC數值模擬軟件對工作面推進過程中上覆巖層裂隙動態發育過程進行了研究，得到以下結論：推進距離為45 m時，老頂及上覆泥巖、砂質泥巖全部垮落，亞關鍵層尚完好，冒落帶高度達最大，并不再向上發展，基本穩定在31 m；當推進到60 m時，裂隙帶發育高度為61 m，并且基本穩定在61 m。

圖3 不同推進距離下裂隙發育規律

[1] 王 聯,文良兵,蘆 程.煤巖采動裂隙場的成因及其特征分析[J].煤礦現代化，2013(3):37-38.

[2] 聶榮軍，張慶功，劉振嶺，等.采動覆巖裂隙演化規律RFPA數值模擬分析[J].陜西煤炭,2011(4)：25-27.

[3] 朱紅青,張民波,申 健,等.平崗煤礦1202工作面上覆巖層“三帶”的判定[J].科技導報,2013,31(23):45-49.

[4] 王 皓,侯恩科,高 濤.淺埋煤層過溝開采上覆巖層破壞規律數值模擬[J].現代礦業,2014(11):22-23.

[5] 張若宇,金元甲.充填開采上覆巖層裂隙拱結構研究[J].現代礦業,2014(11):38-40.

[6] 楊 鵬.采場上覆巖層采動裂隙演化規律相似模擬研究[J].煤炭科學技術,2014,42(8):121-124.

[7] 高 云,華明國.常村煤礦N3-8工作面上覆巖層裂隙演化規律研究[J].中州煤炭,2015(1):11-13.

Numerical Simulation of the Overlying Strata Development Characteristics of Large Height of Working Face

Du Kang

(Yuwu Mining Limited Company, Shanxi Lu'an Group)

In order to understand the overlying strata development characteristics in Shangtunliu coal mine, taking the S2106 working face as an example, the numerical model is established by dopting UDEC numerical simulation software so as to analyze the displacement laws of overlying strata. The results show that when the working face advance 45 m, the height of the caving zones development to 31 m, and no longer upward development basically; when the working face advance 60 m, the height of the fissure zone is 61 m, and it is not upward development with the advances of working face basically.

Caving zone, Fissure zone, Overlying strata, Numerical simulation

2015-04-27)

杜 康(1979—)，男，工程師，046000 山西省長治市。