李 偉

(中鐵十九局集團(tuán)礦業(yè)工程有限公司 北京 100176)

1 引言

胡晉林等[1]采用相似模擬、理論分析以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)多種方法綜合研究工作面回采期間覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律，得出了高位鉆孔的合理布置層位位置，能夠合理地保證鉆孔成孔率以及高效抽采效率；秦喜文[2]采用相似模擬方法設(shè)計(jì)開采方案，反演3＃煤層上分層采空區(qū)圍巖及煤柱的穩(wěn)定特征；邸晟鈞等[3]采用COMSOL數(shù)值模擬軟件研究采煤過(guò)程中上覆巖層覆巖破壞特征、采動(dòng)覆巖應(yīng)力演化規(guī)律；曹鵬[4]采用理論分析、數(shù)值模擬、相似模擬和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證等手段對(duì)采空區(qū)下工作面覆巖破斷規(guī)律及其支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行研究，得出合理煤層間距及上部煤層開采后對(duì)層間巖層的破壞情況。根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的眾多研究，數(shù)值模擬方法對(duì)采空區(qū)上覆巖層破壞機(jī)理進(jìn)行研究較為準(zhǔn)確且合理[5－8]，因此，本文針對(duì)牡佳客專青龍山小煤窯采空區(qū)情況，采用PFC3D數(shù)值模擬的方法，對(duì)其上覆巖層破壞情況進(jìn)行研究，通過(guò)開采期間垮落情況對(duì)采空區(qū)上覆巖層裂隙及破壞機(jī)理進(jìn)行分析，得出較為合理的采空區(qū)上覆巖層破壞情況[9－11]。

2 工程概況及數(shù)值模型

2.1 工程概況

牡佳客專青龍山小煤窯采空區(qū)位于新勝1、2號(hào)隧道之間，工程內(nèi)容為DK142＋850～DK143＋300段采空區(qū)地基處理，主要進(jìn)行采空區(qū)的鉆孔注漿加固及治理效果檢測(cè)。采空區(qū)位于新勝1號(hào)隧道與新勝2號(hào)隧道之間，線路以填挖相間通過(guò)，地貌為丘陵緩坡，地形坡度5°～15°，地形起伏不大，大部分為林地。針對(duì)小煤窯分布情況采用激發(fā)極化法對(duì)小窯采空區(qū)進(jìn)行了探測(cè)，根據(jù)物探結(jié)果對(duì)采空異常區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。從驗(yàn)證結(jié)果看，路塹范圍內(nèi)不同深度分布多層小煤窯采空區(qū)，回采率60%，目前已閉坑，因自然塌落由泥質(zhì)砂巖、砂巖碎塊石充填。本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)其上覆巖層破壞機(jī)理進(jìn)行研究，得出上覆巖層破壞情況，以解決采空區(qū)地基處理問(wèn)題。

2.2 宏細(xì)觀參數(shù)選取

使用PFC3D顆粒流離散元軟件創(chuàng)建模型進(jìn)行模擬，正確選擇細(xì)觀參數(shù)最為關(guān)鍵。PFC從顆粒細(xì)觀角度進(jìn)行模擬，從模型細(xì)觀和實(shí)際巖層力學(xué)性質(zhì)對(duì)比及線性回歸分析，可得出實(shí)際巖層參數(shù)與模型中細(xì)觀參數(shù)的宏細(xì)觀轉(zhuǎn)化經(jīng)驗(yàn)公式，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式可以計(jì)算得出細(xì)觀參數(shù)。采用模擬與實(shí)際巖層參數(shù)相關(guān)性分析，通過(guò)對(duì)煤體進(jìn)行340組單軸壓縮和抗拉試驗(yàn)，總結(jié)出相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，并使用PFC模擬軟件對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)所得大量數(shù)據(jù)并擬合得出的宏、細(xì)觀經(jīng)驗(yàn)公式如下:

彈性模量:

泊松比:

單軸抗壓強(qiáng)度回歸性分析公式:

抗拉強(qiáng)度回歸性分析公式:

式中參數(shù)含義如表1所示。

表1 公式字母含義

根據(jù)小煤窯采空區(qū)實(shí)際地質(zhì)資料，模型宏細(xì)觀參數(shù)轉(zhuǎn)換見表2。

表2 宏細(xì)觀參數(shù)轉(zhuǎn)換

2.3 覆巖破壞數(shù)值模型構(gòu)建

根據(jù)小煤窯采空區(qū)煤巖層地質(zhì)條件，運(yùn)用PFC3D軟件進(jìn)行全方位模擬。數(shù)值模型在X、Y、Z方向尺寸為(400×30×360)m，共分為21層。由于煤層平均傾角均為45°，則視為傾斜煤層，煤層傾角較大。上部邊界為自由邊界，左右兩側(cè)邊界固定，粒子只能在垂直方向移動(dòng)，下邊界為封閉邊界，如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型

模型中顆粒大小為0.5～0.7 m，比例尺寸較為合理。為了模擬采空區(qū)的發(fā)生，參照小煤窯的實(shí)際開采狀況依次進(jìn)行挖掘，每次挖掘長(zhǎng)度為40 m，模型分為5次開采。循環(huán)直至裂縫不再發(fā)生，然后進(jìn)行下一次挖掘，以此重復(fù)。

3 PFC模擬結(jié)果分析

3.1 覆巖破壞高度垮落規(guī)律研究

PFC3D垮落模擬結(jié)果如圖2所示。隨著工作面的開采，上部巖層內(nèi)部裂縫增加，向周圍持續(xù)擴(kuò)展，如裂縫在一定程度上不斷積蓄，會(huì)引起巖石層的剝離現(xiàn)象，上層的巖石層彎曲下沉，如圖2a所示。另外，在煤層開采過(guò)程中，采空區(qū)兩側(cè)的煤炭體出現(xiàn)應(yīng)力集中，底板也會(huì)產(chǎn)生裂隙。隨著工作面推進(jìn)，裂隙逐步向下發(fā)散，巖石層底板破壞會(huì)破壞底板的完整性，進(jìn)而影響下層煤層的工作面的正常安全開采。

圖2 PFC模擬垮落結(jié)果

當(dāng)工作面推進(jìn)到60 m時(shí)，直接頂垮落，由于工作面擴(kuò)大了采掘范圍，采空區(qū)周圍的煤體支撐壓力過(guò)大，底板產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，煤層底板發(fā)生底鼓現(xiàn)象，出現(xiàn)塑性破壞，導(dǎo)致底板產(chǎn)生較多淺部裂隙。隨著深度增大，基巖負(fù)荷能力增強(qiáng)，底板裂縫的發(fā)生數(shù)量減少，此時(shí)裂縫數(shù)達(dá)到426。這是由于應(yīng)力集中和巖壁覆蓋壓力的作用，暴露在巷道內(nèi)的底板破碎度高。

工作面推進(jìn)到100 m，工作面的基本頂也開始發(fā)生崩潰現(xiàn)象，與直接頂崩潰時(shí)底板的裂縫分布相似。工作面底板附近有應(yīng)力集中的擠壓作用和由于覆巖的崩潰而產(chǎn)生的破壞作用，裂縫分布在表層，少部分分布在下層。但此時(shí)在底板下方出現(xiàn)更多相對(duì)獨(dú)立的非貫通間隙，如圖2b所示。隨著工作面的推進(jìn)，裂紋分布范圍變大。此時(shí)，裂縫數(shù)達(dá)到1 192，所增加的裂紋主要是由于底板的破碎而產(chǎn)生的裂紋，且在塌陷時(shí)產(chǎn)生的穿透裂紋的數(shù)量也很少。當(dāng)工作面推進(jìn)到140 m時(shí)，工作面會(huì)發(fā)生第二次基本頂崩潰。由圖2c可知，底板上部破壞強(qiáng)烈，裂紋明顯增加，但襯底中部也出現(xiàn)部分裂紋，工作面的推進(jìn)范圍與裂紋分布范圍幾乎一致。采空區(qū)下方裂縫不多，集中在接近作業(yè)面的方向上，少部分向上和向下拓展，并未產(chǎn)生貫通，此時(shí)夾矸內(nèi)的裂隙數(shù)達(dá)到2 158，由裂隙圖可知夾矸貫通裂隙因基本頂周期性垮落未對(duì)其產(chǎn)生影響，并未產(chǎn)生大范圍貫通裂隙。

當(dāng)工作面推進(jìn)到180 m時(shí)，工作面上方關(guān)鍵層發(fā)生斷裂，工作面上覆巖層發(fā)生大面積垮落，工作面應(yīng)力條件穩(wěn)定狀態(tài)被打破。由于工作面超前支撐壓力的作用，工作面底板上附近的覆巖和底板上部嚴(yán)重破壞，產(chǎn)生多條裂縫，由于應(yīng)力集中作用和覆巖的崩潰沖擊力的作用，中部和下部底板產(chǎn)生許多裂縫，開采過(guò)程中發(fā)展的裂縫產(chǎn)生貫通效果，擴(kuò)展到作業(yè)前部及低位煤層，工作面基板被破壞，產(chǎn)生更多的通道。如圖2d所示，裂縫數(shù)達(dá)到3 420，凹陷內(nèi)的裂縫相互貫通，且以大面積出現(xiàn)。裂紋生長(zhǎng)速度達(dá)到最高，因此在重復(fù)采動(dòng)影響下多層采空區(qū)漏風(fēng)通道會(huì)在上層煤關(guān)鍵層垮落期間產(chǎn)生。模擬結(jié)果產(chǎn)生的裂隙數(shù)目統(tǒng)計(jì)如圖3所示。

3.2 覆巖破壞高度孔隙率變化規(guī)律研究

由于采空區(qū)相較于煤層較為特殊，需要對(duì)采空區(qū)進(jìn)行近似化處理，將采空區(qū)近似于1個(gè)由多孔介質(zhì)組成的空間，計(jì)算出相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)，通過(guò)宏細(xì)觀參數(shù)轉(zhuǎn)化，建立對(duì)應(yīng)的模型進(jìn)行分析。在分析過(guò)程中，采空區(qū)力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確性將直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度。PFC模擬在模型建立初期，統(tǒng)一設(shè)置孔隙率為0.2，在對(duì)每層巖層及煤層賦值后，整體孔隙率產(chǎn)生變化，接近于真實(shí)煤層情況，因此具有可研究性。采空區(qū)裂隙研究中孔隙率變化是其中極重要部分，以此可分析上覆巖層垮落規(guī)律，因此需分析隨著工作面推進(jìn)采空區(qū)孔隙率變化動(dòng)態(tài)分布特點(diǎn)。

基于PFC3D軟件的特點(diǎn)，利用其特殊的測(cè)量圓運(yùn)動(dòng)跟蹤模型的內(nèi)部孔隙率的變化，以更好地研究開采過(guò)程中孔隙度的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，測(cè)量圓的設(shè)定如圖4所示。測(cè)量圓的粒徑均為5 m，測(cè)量圓布置長(zhǎng)為400 m，寬為30 m，高為360 m。測(cè)量圓設(shè)置40層，每層設(shè)置40個(gè)測(cè)量圓，共計(jì)64 000個(gè)。測(cè)量圓始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，其上、下、前、后、左、右6個(gè)邊界不能移動(dòng)。當(dāng)粒子在垂直方向上移動(dòng)時(shí)，粒子通過(guò)各層測(cè)量圓，測(cè)量圓根據(jù)粒子的移動(dòng)來(lái)監(jiān)測(cè)模型變形情況及孔隙率變化規(guī)律。

圖4 測(cè)量圓設(shè)置

開采過(guò)程中，從上覆巖層垮落情況可以得出工作面開采影響整個(gè)模型孔隙率的變化情況。而分段開采屬于動(dòng)態(tài)過(guò)程，孔隙率的變化規(guī)律也將呈動(dòng)態(tài)變化，因此根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作面作業(yè)規(guī)程，選取開采40 m時(shí)孔隙率變化規(guī)律進(jìn)行分析，并對(duì)數(shù)值模型做切片處理，選取1＃～5＃切面的數(shù)據(jù)，切面設(shè)置如圖5所示。每個(gè)切面范圍長(zhǎng)400 m、高360 m、寬5 m，共1 600個(gè)測(cè)量圓(40行×40列)。

圖5 切面設(shè)置

挖掘初期，工作面前進(jìn)40 m，由于此時(shí)開采寬度較小，直接頂板尚未破裂，工作面圍巖孔隙度變化不大，僅在工作面周圍小面積存在，孔隙率變化率如圖6a所示。當(dāng)工作面前進(jìn)60 m時(shí)，直接頂板坍塌，工作面上方孔隙度繼續(xù)增大。但由于工作面開采長(zhǎng)度小，所以除去直接頂板，上層涂層的多孔性沒有很大變化，工作面周圍的孔隙率為逆梯形分布。當(dāng)工作面推進(jìn)到100 m時(shí)，基本頂發(fā)生破碎和倒塌，整個(gè)工作面的倒塌高度將達(dá)到25 m左右。由于上覆地層的破裂塌陷和地層支護(hù)作用，采空區(qū)會(huì)出現(xiàn)孔隙度較大的區(qū)域。工作面上方、后方和附近區(qū)域如圖6b所示。如果將工作面推到120 m左右，上部會(huì)發(fā)生二次破損，上部的巖石層會(huì)周期性崩壞。此時(shí)工作面高度不變，在采空區(qū)上方孔隙率大的區(qū)域隨著工作面的推進(jìn)而擴(kuò)大。采空區(qū)后面的區(qū)域因采空區(qū)的逐漸推進(jìn)而逐漸推進(jìn)。上覆地層逐漸壓縮，孔隙率逐漸降低，整個(gè)區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)逐漸穩(wěn)定。工作面附近的區(qū)域隨時(shí)間推移而被新的覆蓋巖層所支撐，而且該區(qū)域附近的間隙率繼續(xù)處于大范圍。

工作面推進(jìn)到140 m后，工作面上方發(fā)揮支持作用的關(guān)鍵層被打破，上部巖石層大規(guī)模崩潰，工作面崩潰高度從25 m上升到58 m左右，孔隙率分布極端。大的變化類似于直接頂崩潰時(shí)的孔隙率分布。此時(shí)，孔隙率大的區(qū)域主要分布在工作面的上方、后方及附近。但是不同的是，上蓋的巖石層有破裂保護(hù)作用，開采空間上部孔隙區(qū)更為細(xì)長(zhǎng)。采空區(qū)后部區(qū)域孔隙率較大，但其位置變高，相當(dāng)于巖石層被壓碎后形成新的采空區(qū)的支持區(qū)域。但是，由于工作面處于推進(jìn)狀態(tài)，工作面后方采集區(qū)域上方的孔隙率依然很大，如圖6c所示。

圖6 孔隙率隨推進(jìn)進(jìn)度動(dòng)態(tài)變化云圖

工作面推進(jìn)到180 m后結(jié)束開采，開采空間內(nèi)孔隙率分布范圍并未產(chǎn)生較大變化，中后方采空區(qū)域被連續(xù)壓縮，孔隙率有所下降，隨著作業(yè)面推進(jìn)，上方區(qū)域孔隙分布被推進(jìn)不斷向前發(fā)展，保持細(xì)長(zhǎng)形狀，開采區(qū)域上方、后方及工作面周圍孔隙率較大，如圖6d所示。

4 結(jié)論

(1)在工作面煤層推進(jìn)過(guò)程中，上覆巖層由于應(yīng)力集中作用和覆巖崩塌引起的沖擊作用，工作面底板產(chǎn)生更多裂縫，伴隨積累和發(fā)展，形成貫通性的裂紋通道，直至底板裂紋區(qū)域的深度達(dá)到15 m。78%的裂縫分布在采空區(qū)域20 m的邊界范圍內(nèi)，該區(qū)域的巖石層受到較大的拉伸應(yīng)力作用，其變形及破壞程度較高。靠近采空區(qū)內(nèi)部，上面的巖石層崩塌。

(2)在工作面推進(jìn)過(guò)程中，工作面上方、后方以及工作面附近孔隙率較大，隨著工作面推進(jìn)，提高工作面后方的孔隙率大的領(lǐng)域，使工作面的推進(jìn)區(qū)域上方孔隙率大的領(lǐng)域不斷向前發(fā)展，形成細(xì)長(zhǎng)形狀，由于上覆巖層的支承作用，兩巷附近的孔隙率仍會(huì)保持較大值。底板裂隙分布區(qū)域與采空區(qū)孔隙率分布區(qū)域有很高的規(guī)律類似性。