鄒立強(qiáng)，陳仕剛，丁宏偉

（山東省煤田地質(zhì)局第二勘探隊(duì)，山東濟(jì)寧272000）

蘆嶺煤礦8煤層覆巖移動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬

鄒立強(qiáng)*，陳仕剛，丁宏偉

（山東省煤田地質(zhì)局第二勘探隊(duì)，山東濟(jì)寧272000）

煤層開采將引起原有應(yīng)力平衡的破壞，導(dǎo)致覆巖的變形與破斷，不利于礦井的安全生產(chǎn)?；趲r石損傷力學(xué)的基本原理，分析了覆巖變形失穩(wěn)的條件。結(jié)合礦區(qū)鉆孔99-4揭露的開采地質(zhì)條件和巖石力學(xué)性能等參數(shù)，運(yùn)用巖石破裂過程分析系統(tǒng)（RFPA2D）建立了力學(xué)模型。結(jié)果表明：覆巖中的離層面和縱向破斷面的張開和閉合是一個(gè)動(dòng)態(tài)演化過程；細(xì)中砂組合覆巖采動(dòng)中直接頂基本是在工作面推進(jìn)40m時(shí)發(fā)生離層破壞，而基本頂則是在工作面推進(jìn)約65m時(shí)整體垮落，之后周期垮落步距10～15m。

煤層開采；覆巖失穩(wěn)；移動(dòng)規(guī)律；動(dòng)態(tài)演化；數(shù)值模擬

煤層開采將引起上覆巖層應(yīng)力重新分布，使之產(chǎn)生變形、破斷和滲透變化等一系列復(fù)雜的工程地質(zhì)作用過程。采用數(shù)值模擬的研究方法對上覆巖層的裂隙發(fā)育情況與其破壞規(guī)律進(jìn)行的分析，目前國內(nèi)外的研究角度較為全面，研究成果也較為豐碩［1-5］。其中對上覆巖層的結(jié)構(gòu)研究中，各種梁理論的建立在時(shí)間上較早［6-8］。陳忠輝、馬占國等人借助損傷力學(xué)的理論建立一個(gè)簡單的力學(xué)模型或從時(shí)變邊界的力學(xué)分析總結(jié)覆巖的移動(dòng)破壞機(jī)理［9-10］?；诟矌r采動(dòng)失穩(wěn)條件的分析，并且利用鉆孔對巖芯進(jìn)行巖石物理、力學(xué)性質(zhì)參數(shù)測定，在分析蘆嶺煤礦8煤層頂部巖石結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)特征研究的基礎(chǔ)上，建立了以此為依據(jù)的力學(xué)模型，預(yù)期演繹出8煤層在真實(shí)開采的條件下上覆巖層移動(dòng)與破斷規(guī)律，依此利用既得規(guī)律特征有效規(guī)避采場頂板事故，為采場進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

蘆嶺煤礦位于宿縣礦區(qū)東部，宿東向斜西南翼的東南段。8煤層屬于下石盒子組沉積，與上部煤層底板間距平均20m，下部煤層頂板平均3.5m，沉積巖則以砂巖、粉砂巖和泥巖為主。本次模型數(shù)據(jù)源為三水平一采區(qū)上的99-4鉆孔，主要模擬位于井田中部F7～11-12線之間的區(qū)域，該區(qū)發(fā)育主要有斜切斷層F40、FD17，根據(jù)斷層分形理論計(jì)算［11］，其值為0.79248，相關(guān)系數(shù)為0.9776，因此相對構(gòu)造比較簡單。研究區(qū)頂板粒度自下而上變粗，基本頂細(xì)中砂為主，基本構(gòu)成則是長石以及石英砂巖，其中大型楔形交錯(cuò)層理時(shí)有出現(xiàn)。

1　采動(dòng)后覆巖失穩(wěn)垮落的條件分析

采場覆巖破壞有很多類型，例如離層、冒落、層間錯(cuò)動(dòng)，剪切破壞和塑性變形，塊體移動(dòng)、沿軟弱結(jié)構(gòu)面的滑動(dòng)，巖爆、煤爆和片幫等，可以分為4種破壞機(jī)制：張破壞、剪破壞、結(jié)構(gòu)體的滑落和轉(zhuǎn)動(dòng)［12-13］。

張破壞是煤巖張應(yīng)變達(dá)到或者超過巖體的損傷閾值造成的，其理論公式為：

式中：εi（i=1，2或3）——巖體在重分布應(yīng)力作用下i個(gè)方向上的張應(yīng)變；

εi，0——巖體的極限張應(yīng)變。

剪破壞的判據(jù)可用Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論：

式中：τ——抗剪強(qiáng)度；

σ——法向應(yīng)力；

C、φ——巖體的粘聚力和內(nèi)摩擦角。

巖體應(yīng)變的同時(shí)巖體內(nèi)力會(huì)重新分布，然而巖體結(jié)構(gòu)并不會(huì)隨即變化，而是產(chǎn)生“梁”這種結(jié)構(gòu)模型，其穩(wěn)定狀態(tài)的持續(xù)關(guān)鍵可能決定于巖層移動(dòng)中形成離層區(qū)附近的幾個(gè)巖塊，在文獻(xiàn)［13］中的“S-R”穩(wěn)定條件分析即是對砌體梁的滑落與轉(zhuǎn)動(dòng)變形失穩(wěn)條件的詳細(xì)論述。

覆巖失穩(wěn)垮落條件的建立與選用，比較系統(tǒng)的反映了覆巖在采動(dòng)中的應(yīng)力場的變化，為覆巖的失穩(wěn)變形類型提供了依據(jù)，有利于對覆巖失穩(wěn)破壞機(jī)理的分析與研究。

2　數(shù)值模擬模型

2.1數(shù)值模擬軟件的選取

采場上覆巖層的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)態(tài)發(fā)展過程。由于覆巖材料存在著非勻質(zhì)性，破壞的非連續(xù)性，力學(xué)行為的非線性等特點(diǎn)［14-16］，從而以往使用的模擬系統(tǒng)都存在著或多或少的局限性。東北大學(xué)巖石破裂與失穩(wěn)研究中心開發(fā)的巖石破裂過程分析系統(tǒng)RFPA2D是利用有限元的理論基礎(chǔ)，充分考慮了巖體的各向力學(xué)性能的不一致性，以各微小基元的參數(shù)通過宏觀方式表現(xiàn)出來，對巖體的本構(gòu)關(guān)系模擬較為具體。RFPA2D分析系統(tǒng)假定細(xì)觀基元的力學(xué)性質(zhì)服從某種分布，以物理統(tǒng)計(jì)方法描述其離散性，建立了細(xì)觀與宏觀介質(zhì)力學(xué)性能的聯(lián)系。因此采用巖石破裂過程分析軟件RFPA2D系統(tǒng)會(huì)更真實(shí)的模擬覆巖采動(dòng)的動(dòng)態(tài)發(fā)展過程，更好的分析其變形破斷規(guī)律、機(jī)理。

2.2覆巖巖石力學(xué)參數(shù)的測定

本次模型采用鉆孔99-4的巖芯材料作為基本數(shù)據(jù)來源。表1是嚴(yán)格按照巖石力學(xué)試驗(yàn)規(guī)程，對8煤層上覆關(guān)鍵巖層進(jìn)行力學(xué)性能進(jìn)行測試的結(jié)果。根據(jù)測試結(jié)果泥巖抗壓強(qiáng)度在7.6～32.5MPa之間，平均在25MPa，彈性模量在10.2～25.1GPa之間，平均在17.65GPa。粉砂巖抗壓強(qiáng)度在51.9～107.1MPa之間，平均在79.5MPa，彈性模量在33.1～50.6GPa之間，平均在41.85GPa。粗砂巖抗壓強(qiáng)度為131.4MPa，彈性模量為27.633GPa。

表1　數(shù)值模擬模型中各巖層的主要力學(xué)參數(shù)

2.3模擬模型基本數(shù)據(jù)

模型建立以無限接近相應(yīng)區(qū)域的原始尺寸為原則，在水平方向上選用了280m，而在上下方向的選用上，采取了采動(dòng)過程中短期可能夠影響到的130m厚度，這樣按1m×1m的基元?jiǎng)澐謱⒛Ｐ蜌w為36400個(gè)基元的系統(tǒng)。另外，短期影響不到的上覆巖層根據(jù)地應(yīng)力化為與之相應(yīng)的載荷。為防止邊界效應(yīng)的影響，在模型的兩端分別預(yù)置保護(hù)煤柱50m。近似模擬采煤過程，以2m采高、5m為步距分步分階段向前推進(jìn)。在邊界的兩端采用水平約束，而在邊界的上部巖層可以存在水平滑動(dòng)。巖層組合模型見如圖1所示。

3　模型模擬煤層開采過程中上覆巖層的移動(dòng)特點(diǎn)

在切眼開拓的瞬間，伴隨著應(yīng)力的重新分布（應(yīng)力大小在模型中由亮度表示，亮度越大表示應(yīng)力越大），當(dāng)開挖近10m時(shí)，在采空區(qū)兩端應(yīng)力出現(xiàn)明顯集中，而在采空區(qū)上部有限范圍內(nèi)亮度變暗，說明地應(yīng)力有所減弱，底板影響不明顯。當(dāng)采空區(qū)跨度達(dá)30m時(shí)，直接頂內(nèi)出現(xiàn)黑點(diǎn)，說明直接頂移動(dòng)破壞開始。這是由于層間滑動(dòng)引起直接頂?shù)膹埿云茐?，發(fā)生了直接頂?shù)膶娱g錯(cuò)動(dòng)—離層—冒落（圖2a-b）。

采空區(qū)跨度為40m時(shí)，直接頂陸續(xù)產(chǎn)生多處黑點(diǎn)，隨著工作面的推進(jìn)黑點(diǎn)進(jìn)一步擴(kuò)大，而且與上位巖層之間產(chǎn)生線狀黑色區(qū)域。說明隨著直接頂內(nèi)部張力的不斷發(fā)展促成了離層裂隙的出現(xiàn)，同時(shí)基本頂內(nèi)部也出現(xiàn)了應(yīng)力集中，逐漸發(fā)育有豎直方向的裂隙與離層裂隙，裂隙帶繼而出現(xiàn)。采空區(qū)跨度不斷擴(kuò)大，直接頂出現(xiàn)大面積的暴露，煤壁位置剪切應(yīng)力持續(xù)加大，其上部出現(xiàn)明顯裂隙。開挖至55m時(shí)，直接頂大面積的垮落，顯然此時(shí)基本頂以“砌體梁”形式支撐著上覆巖層。另外，基本頂也逐漸移動(dòng)下沉，裂隙進(jìn)一步向上發(fā)展（圖2c-d）。

圖1　巖層組合數(shù)值模擬模型

圖2　數(shù)值模擬結(jié)果

隨著工作面的向前推進(jìn)，基本頂內(nèi)部裂隙逐漸貫通。采空區(qū)跨度達(dá)到65m時(shí)，基本頂向下移動(dòng)速度加快，承載能力加速下降并最終破斷，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)。此時(shí)采空區(qū)后方煤壁上部剪應(yīng)力集中明顯，隨后整體垮落。采空區(qū)上部巖層協(xié)同垮落，裂隙急速向上擴(kuò)展至75m左右（圖2e）。基本頂初次垮落后，工作面繼續(xù)推進(jìn)時(shí)上部巖層移動(dòng)速度和規(guī)模則相對穩(wěn)定，然而工作面前方時(shí)變煤壁上方應(yīng)力卻逐漸變大，向前推進(jìn)至75m時(shí)，基本頂上方又一次出現(xiàn)破斷，但離層裂隙向上發(fā)育極為有限。之后基本頂變化又處于短暫穩(wěn)定狀態(tài)，并逐漸形成了穩(wěn)定的冒落帶（圖2f）。基本頂垮落后，冒落帶由于壓實(shí)作用在采動(dòng)過程中形成的裂隙又逐漸閉合。

4　結(jié)論

（1）煤巖開采過程中，采空區(qū)上方應(yīng)力的不斷變化造成局部應(yīng)力集中，使上覆巖層發(fā)生移動(dòng)和破壞。直接頂是由于張力作用產(chǎn)生豎向裂隙與離層，進(jìn)而冒落。基本頂則是由于豎向裂隙的不斷發(fā)展并逐漸貫通而形成的“砌體梁”結(jié)構(gòu)，達(dá)到承載力上限引起破壞；在采動(dòng)過程中，巖體的破壞結(jié)構(gòu)面隨著垮落穩(wěn)定又逐漸閉合，因此離層面和縱向破斷面的張開和閉合是一個(gè)動(dòng)態(tài)演化過程。

（2）模擬結(jié)果顯示了細(xì)中砂組合覆巖采動(dòng)中存在的特點(diǎn)：8煤層模擬區(qū)域內(nèi)直接頂每步開挖都會(huì)發(fā)生應(yīng)力擾動(dòng)，在40m步距時(shí)離層裂隙極為發(fā)育，達(dá)55m步距時(shí)冒落變得劇烈?；卷?shù)某醮慰迓洳骄酁?5m，周期垮落步距為10～15m。離層裂隙發(fā)育高度約75m左右，形成穩(wěn)定的冒落帶。

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TD325

A

1004-5716（2016）04-0126-04

2015-03-30

鄒立強(qiáng)（1986-），男（漢族），山東濟(jì)南人，助理工程師，現(xiàn)從事地質(zhì)工程和礦井地質(zhì)方向研究工作。