黃 遠(yuǎn)

(江蘇省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，江蘇 淮安 223005)

1 概述

煤炭作為最重要的化石能源之一，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的開采，已有礦區(qū)資源日益枯竭，形成大量的采空區(qū)。隨著城市的發(fā)展，越來(lái)越多的公路、鐵路和建構(gòu)筑物，不可避免地要穿越采空區(qū)。采空區(qū)上覆巖體的位移和變形直接影響既有建構(gòu)筑物的整體穩(wěn)定性[1]。在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)例，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)采空區(qū)破壞進(jìn)行研究。

2 數(shù)值模型設(shè)計(jì)

采空區(qū)為地下固體礦產(chǎn)開采后的空間及其圍巖失穩(wěn)而產(chǎn)生位移、開裂、破碎垮落，直到上覆巖層整體下沉、彎曲所引起的地表變形和破壞的區(qū)域或范圍。地下空間受破壞的過(guò)程中，所在地層進(jìn)行了一系列的擾動(dòng)使得受力狀態(tài)不斷地改變，原始應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生一定程度的改變形成新的附加應(yīng)力，因?yàn)楦郊討?yīng)力的干擾，會(huì)對(duì)破壞空間周邊一定范圍內(nèi)的巖體造成擾動(dòng)，發(fā)生變形和破壞，同時(shí)波及到上面的地層中，從而使得上方的巖土體中受力狀態(tài)發(fā)生變化。而且這種演化過(guò)程非常復(fù)雜，受到許多因素的影響，尤其是地層在多次擾動(dòng)下的應(yīng)力重新分布問(wèn)題，是生產(chǎn)實(shí)踐中的難點(diǎn)，用傳統(tǒng)的理論分析并不能有效的解決，而通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)分析，這些主要影響因素和并發(fā)問(wèn)題基本上都可以得到相應(yīng)的解決。

2.1 軟件介紹

在當(dāng)今對(duì)工程地質(zhì)問(wèn)題的分析中，有下面幾種經(jīng)常采取的模擬分析手段：有限差分法、有限元法、數(shù)值流型法、離散元法。

FLAC3D是一種以顯式拉格朗日差分法為理論基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)值分析的軟件，是一種有限差分軟件，它常用于研究非線性、變形較大等相關(guān)的情況，在工程地質(zhì)相關(guān)領(lǐng)域使用率很高，效果很好。所以本文主要通過(guò)FLAC3D對(duì)地下空間破壞問(wèn)題進(jìn)行模擬，觀察分析上覆巖土層中的應(yīng)力變化和裂縫帶發(fā)育狀況。

考慮到破碎的巖體具有離散型特征，為了更好地反映巖土層裂縫發(fā)育情況，采用UDEC離散元和FLAC3D有限元聯(lián)合模擬的方法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行研究。

2.2 工程地質(zhì)模型的建立

本模型以成家莊礦為研究原型，主采煤層為4煤，埋深為550 m左右，煤層平均厚度為4 m，傾角0°～10°。開采時(shí)均一次性采全高，沿工作面頂、底板推進(jìn)。模型沿煤層走向方向建立，如圖1所示，模型長(zhǎng)為400 m，寬為300 m，高為165 m?？紤]邊界影響，在模型右側(cè)留100 m的邊界區(qū)域，左側(cè)留100 m的邊界區(qū)域。

成家莊礦煤層傾角較小，接近水平，所以模型中煤層按水平設(shè)計(jì)。模型中煤、頂、底板和各巖層厚度均按鉆孔所提供柱狀數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬。模型中煤層和巖層的物理力學(xué)參數(shù)均按鉆孔獲取的數(shù)據(jù)模擬。模型豎直邊界固定水平方向位移，水平邊界固定垂直方向位移，在頂端邊界施加均勻載荷，載荷按450 m巖體垂向應(yīng)力計(jì)算。模型初始位移、速度為零。原始的σ1,σ2,σ3指向分別與模型的x，y，z的方向相同，數(shù)值大小相等。

3 數(shù)值模擬

3.1 最大主應(yīng)力變化特征

通過(guò)對(duì)礦山的開采模擬結(jié)果分析(見(jiàn)圖2)，隨著開采工作面的不斷向前推進(jìn)，最大主應(yīng)力的數(shù)值也隨之變大，應(yīng)力場(chǎng)表現(xiàn)出中間低、兩頭高的“馬鞍”形，隨著開采距離的增加，高度不斷增加。同時(shí)，會(huì)在開切眼和工作面的停采線處出現(xiàn)一定大小的應(yīng)力集中現(xiàn)象。在采空區(qū)的兩邊，由于處在該區(qū)域的巖體受到拉壓應(yīng)力，因此開采裂縫發(fā)育程度較高，導(dǎo)致導(dǎo)水裂縫帶在這個(gè)范圍發(fā)育程度最高。對(duì)于頂板附近的區(qū)域主要處于拉應(yīng)力區(qū)，當(dāng)頂板處的拉應(yīng)力區(qū)中產(chǎn)生微小裂縫時(shí)，就會(huì)在裂縫的端部產(chǎn)生應(yīng)力集中[2]。當(dāng)拉應(yīng)力集中程度不斷的增加，使得巖石抗拉強(qiáng)度逐漸的降低，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)的巖層極易垮落。

3.2 采動(dòng)覆巖應(yīng)力場(chǎng)特征

開采后覆巖應(yīng)力場(chǎng)等值線圖見(jiàn)圖3。圖3(a)，圖3(b)為煤層開采后覆巖豎直和水平應(yīng)力場(chǎng)等值線圖。模擬結(jié)果反映了開采完成后在模型范圍內(nèi)，覆巖中原始應(yīng)力場(chǎng)遭受到了不同程度上的擾動(dòng)。其中，在煤柱的部位產(chǎn)生應(yīng)力相對(duì)集中現(xiàn)象，呈受壓的狀態(tài)，而在采空區(qū)的上方一定區(qū)域和頂部位產(chǎn)生了拉應(yīng)力，而這種拉應(yīng)力可能導(dǎo)致在采空區(qū)上方的一定區(qū)域內(nèi)的覆巖因?yàn)椴蓜?dòng)產(chǎn)生細(xì)小的裂縫從而形成了垮落帶。圖3(c)是在開采結(jié)束后上覆巖層內(nèi)形成的剪切應(yīng)力等值線分布特征，從結(jié)果分析能夠推斷出，剪應(yīng)力的變化范圍大體上關(guān)于開采方向的中心線對(duì)稱分布，在煤柱區(qū)域產(chǎn)生剪應(yīng)力集中現(xiàn)象，該集中區(qū)域通常出現(xiàn)在煤層開切眼與煤層停采線附近的區(qū)域，大致為“蝶狀”分布。分析采空區(qū)兩端對(duì)稱的區(qū)域可以看出剪切應(yīng)力的最大值是相同的，而且分布范圍主要在頂板巖層區(qū)域內(nèi)，底板下方變化程度小，這是因?yàn)榈装逄幍奈灰谱冃屋^小和力學(xué)性質(zhì)比較好。由以往經(jīng)驗(yàn)可知在剪應(yīng)力集中的地方往往也是破壞變形比較容易發(fā)生的區(qū)域，產(chǎn)生由剪切破壞而造成的裂縫，從而導(dǎo)致了裂隙的產(chǎn)生。

3.3 位移場(chǎng)分析

通過(guò)圖4,圖5分析可以得出，礦石開采后所形成的沉降變形范圍要明顯大于采空區(qū)范圍。沉降變形的區(qū)域大致可以由沉降邊緣區(qū)和沉降中心區(qū)兩部分組成。在中心區(qū)域，覆巖位移和地表變形主要以豎直位移為主，向煤柱的方向逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥瑫r(shí)發(fā)生水平位移和豎直位移，等到煤柱以外區(qū)域，水平位移量較大，豎直位移變化較小。從位移特征圖分析可以反映出，在地表沉降區(qū)域內(nèi)，豎直位移量要遠(yuǎn)大于水平位移量，而水平位移隨著巖層與采空區(qū)之間的距離變化，表現(xiàn)出不同的分布規(guī)律。在一定埋深范圍，上覆巖層的水平位移向采空區(qū)方向移動(dòng)，且數(shù)值隨深度的增加而變?。辉谝欢裆罘秶?，水平位移向兩側(cè)巖體方向移動(dòng)，而且數(shù)值隨深度的增大而變大。

3.4 覆巖破壞特征分析

從頂板到上覆未發(fā)生破壞的區(qū)域的巖層之間可大致劃分為5個(gè)范圍。其中當(dāng)處于拉伸破壞區(qū)域時(shí)，巖層因?yàn)闀?huì)受到雙向的拉應(yīng)力，在此情況下巖層很容易被破壞產(chǎn)生冒落、坍塌現(xiàn)象。在拉伸裂縫區(qū)，因?yàn)槟骋环较虻睦瓚?yīng)力值大于巖體的最大抗拉強(qiáng)度值，從而在巖體上產(chǎn)生一定程度的張裂縫。根據(jù)這些張裂縫的連通和寬度的程度，對(duì)巖體的滲透性和產(chǎn)生的破壞程度不同[3-5]。

為了更好地反映覆巖裂縫發(fā)育情況，采用UDEC離散元和FLAC3D有限元聯(lián)合模擬的方法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行研究。圖6塑性區(qū)分布和圖7塊體裂縫分布圖，可以大體上推斷出裂縫的發(fā)育情況。首先對(duì)于有限元來(lái)說(shuō)這里假設(shè)巖石是一種完全脆性的材料，當(dāng)單元體達(dá)到屈服標(biāo)準(zhǔn)時(shí)就會(huì)發(fā)生破壞。因?yàn)樯细矌r體多為硬到中硬的砂巖，當(dāng)發(fā)生拉張破壞或剪切破壞后，產(chǎn)生的裂縫即使在壓應(yīng)力的作用下也很難以重新閉合，所以通?？蓪⑺苄詤^(qū)看作確定裂縫帶發(fā)育范圍的依據(jù)。根據(jù)塑性區(qū)分布圖可以看出，采掘后，采空區(qū)上方發(fā)生拉張屈服或剪切的區(qū)域呈“馬鞍”形。對(duì)比塑性區(qū)分布圖和最大主應(yīng)力圖(見(jiàn)圖8)，發(fā)現(xiàn)拉應(yīng)力分布區(qū)域與塑性區(qū)的分布范圍大致相似，在范圍方面上稍小。這是由于最大主應(yīng)力圖反映的是開采完成，巖層穩(wěn)定后的應(yīng)力狀態(tài)，而塑性區(qū)圖則把整個(gè)數(shù)值模擬過(guò)程中，巖體產(chǎn)生屈服的區(qū)域都標(biāo)記下來(lái)。而且不但標(biāo)記出了發(fā)生拉張屈服的單元，同時(shí)還標(biāo)記出了發(fā)生剪切屈服的單元。

對(duì)于UDEC離散元來(lái)說(shuō)，假設(shè)巖體是由節(jié)理分割出的規(guī)則的塊體組成。當(dāng)巖體受到的力大于屈服極限時(shí)，巖體就會(huì)沿著節(jié)理面發(fā)生破壞，產(chǎn)生裂隙。圖7形象的表示出開采完成后裂縫發(fā)育情況，當(dāng)塊體完全斷裂、坍塌的地方可視為巖層的垮落范圍，出現(xiàn)裂縫的地方可以當(dāng)作裂隙判斷依據(jù)。根據(jù)自身的特點(diǎn)再與有限元模擬相結(jié)合可以比較準(zhǔn)確的判斷垮落帶的發(fā)育情況。

隨著工作面向前推進(jìn)，塑性區(qū)發(fā)育高度不斷增加，范圍不斷擴(kuò)大。在初始開采時(shí)，塑性區(qū)發(fā)育較為緩慢，當(dāng)工作面推進(jìn)到100 m左右時(shí)塑性區(qū)高度迅速增加，推進(jìn)大概50 m的距離之后，高度變化又開始比較平緩。造成這種現(xiàn)象的原因?yàn)樵诔跏奸_挖時(shí)，由于上覆巖層多為中硬到硬的砂巖強(qiáng)度較高，并且?guī)r層結(jié)構(gòu)較為完整，未被破壞，所以在推進(jìn)過(guò)程中雖然原始應(yīng)力場(chǎng)被擾動(dòng)，但產(chǎn)生的拉壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力不足使巖層產(chǎn)生屈服破壞變形，抑制了塑性區(qū)的發(fā)育。當(dāng)推進(jìn)到一定距離時(shí)，由于裂縫的大量產(chǎn)生，巖體的抗拉強(qiáng)度減小，結(jié)構(gòu)開始遭受破壞，巖層失穩(wěn)。頂板初次來(lái)壓后，開始垮落，隨著工作面不斷向前推進(jìn)，頂板下沉量也相應(yīng)增加。在頂板垮落巖層和底板接觸之后，頂板不再向下垮落，但發(fā)生垮落的范圍繼續(xù)增加。體現(xiàn)在圖上就是塑性區(qū)高度不再增加，而塑性區(qū)范圍不斷擴(kuò)大。頂板的垮落釋放了巖層中的應(yīng)力，使巖層應(yīng)力狀態(tài)重新達(dá)到穩(wěn)定，在下個(gè)周期來(lái)壓之前，塑性區(qū)的高度的發(fā)育程度將受到抑制。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)FLAC3D和UDEC數(shù)值軟件模擬煤層開采過(guò)程，分析在煤層開采擾動(dòng)作用下覆巖破壞變形規(guī)律，通過(guò)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的分析，揭示了在工作面向前推進(jìn)的過(guò)程中，上覆巖層中主應(yīng)力和剪切應(yīng)力變化規(guī)律及其重新分布范圍的問(wèn)題。煤開采完時(shí)，垮落帶高度為18.2 m，裂隙帶發(fā)育高度為42.5 m，頂板覆巖位移大小為2.7 m。根據(jù)分析結(jié)果，為礦山安全生產(chǎn)和采空區(qū)治理提供一定的借鑒作用。