21041綜采工作面數(shù)值模擬研究

摘要：文章通過數(shù)值軟件FLAC3D對告成礦21041工作面圍巖的應(yīng)力分布及其變形破壞規(guī)律進行了數(shù)值模擬研究，得到了工作面開采時頂板破壞及上覆巖層運動的基本規(guī)律。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬 上覆巖層 垮落規(guī)律

1 概況

鄭煤集團告成礦地層主要為第四系松散層和白堊系、侏羅系、三疊系基巖，巖性較復雜，地質(zhì)構(gòu)造復雜程度中等，煤層頂、底板巖石力學強度低，大多為不堅固~中等堅固巖石，工程地質(zhì)勘探類型為第三類（層狀巖類），工程地質(zhì)復雜程度為中等。

2 數(shù)值計算模型

根據(jù)該礦21041工作面礦井地質(zhì)資料，并考慮計算需要，確定數(shù)值計算模型，在建立力學模型過程中，考慮到模型計算時邊界效應(yīng)的影響，使主要研究區(qū)域處于邊界效應(yīng)影響的范圍外，以達到更接近實際的計算結(jié)果。

21041工作面三維數(shù)值計算模型，F(xiàn)LAC三維模型應(yīng)用Generate命令生成，尺寸為寬(X)×厚×(Y)×高(Z)=360m×80m×180m，工作面推進方向沿Y軸正方向，采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，應(yīng)變模式采用大應(yīng)變變形模式，采用brick單元模擬煤巖層，模型底部限制垂直移動，上部施加覆巖等效載荷，模型前后和側(cè)面限制水平移動，整個模型由432000個單元組成，包括451451個節(jié)點。應(yīng)用FLAC3D建立的三維數(shù)值計算模型。

3 工作面走向巖層變形破壞特征

3.1 垂直方向上的應(yīng)力變化特征 工作面推進20m時，其走向垂直應(yīng)力特征表明，在工作面開采空間，垂直應(yīng)力釋放于工作面中部頂?shù)装鍏^(qū)，應(yīng)力集中于工作面煤壁和切眼煤壁附近，應(yīng)力峰值4MPa左右，隨著工作面推進，頂板應(yīng)力釋放區(qū)域（接近零）繼續(xù)沿水平和豎直方向增大，工作面前方煤壁應(yīng)力峰值繼續(xù)增加，該應(yīng)力集中區(qū)域的范圍也隨著工作面推進而增大；當工作面推進至120m時，頂板零應(yīng)力區(qū)域延伸至松散層底部上覆巖層，隨著工作面繼續(xù)推進，上覆巖層出現(xiàn)大范圍應(yīng)力釋放區(qū)，說明上覆巖層發(fā)生了大范圍破壞。

同時，從煤壁前方應(yīng)力集中特征可以看出，該應(yīng)力集中區(qū)域存在著明顯的分區(qū)特點，即沿著工作面推進方向分布著減壓區(qū)、增壓區(qū)和穩(wěn)壓區(qū)三個應(yīng)力特征區(qū)域；在工作面的推進過程中，該三個應(yīng)力特征區(qū)域的范圍也不斷變化，當工作面推進20m時，減壓區(qū)和增壓區(qū)的影響范圍約為15m左右，工作面推進至40m時，減壓區(qū)和增壓區(qū)的影響范圍約為20m左右，工作面推進至60m時，減壓區(qū)和增壓區(qū)的影響范圍約為30m左右，當工作面繼續(xù)推進至70m時，該應(yīng)力區(qū)穩(wěn)定在30m左右。

3.2 沿走向的位移變化特征 工作面推進時，變形明顯區(qū)域主要處于工作面采空區(qū)域頂板，并隨著工作面推進向上覆高層位巖層延伸，在巖層與松散層交匯區(qū)，位移輪廓出現(xiàn)橫向擴展區(qū)域，這是由于松散層強度較小，隨著堅硬巖層的微變形而引起。該區(qū)隨著工作面的推進，有繼續(xù)擴展趨勢，當工作面推進至110m～120m時，頂板破壞延伸至松散層附近，隨著繼續(xù)推進，處于采空區(qū)上方的松散層出現(xiàn)大面積下沉，下沉量最大值達到0.8m左右，其下沉具有豎直切落特征。

3.3 支承壓力特征 通過對不同推進度支承壓力曲線分析，可知，工作面前方支承壓力隨著工作面推進呈逐漸增大趨勢，當推進至40m時支承壓力值達到最大，推進60m時壓力值增加不大。不同推進度下，支承壓力的影響范圍在25～35m之間，隨著推進度的增加，影響范圍有所增加，但增加幅度不大，最大為40m左右。

4 結(jié)論

4.1 工作面走向巖層垮落具有初次來壓和周期來壓特征：直接頂初次垮落步距為30m，老頂初次來壓步距為45m，工作面平均周期來壓約為9.7m。隨著工作面推進，上方巖層水平裂隙沿工作面推進方向延伸擴展；工作面推進到110～150m時，松散層發(fā)生破壞，地表發(fā)生下沉且呈非連續(xù)臺階狀。

4.2 工作面推進過程中，垂直應(yīng)力釋放于工作面中部頂?shù)装鍏^(qū)，應(yīng)力集中于工作面煤壁和切眼煤壁附近，隨著工作面推進，頂板應(yīng)力釋放區(qū)（接近零）繼續(xù)沿水平和豎直方向增大，工作面前方煤壁應(yīng)力峰值繼續(xù)增加；同時，應(yīng)力集中區(qū)域存在著明顯的分區(qū)特點，即沿著工作面推進方向分布著減壓區(qū)、增壓區(qū)和穩(wěn)壓區(qū)三個應(yīng)力特征區(qū)；在工作面的推進過程中，該三個應(yīng)力特征區(qū)的范圍也不斷變化，頂板巖層周期性垮落過程中，該應(yīng)力區(qū)域的范圍穩(wěn)定在30m左右。

4.3 工作面前方支承壓力隨著工作面推進呈逐漸增大趨勢，推進至60m時支撐壓力值趨于穩(wěn)定。不同推進尺度下，支承壓力影響范圍為25～35m，隨著推進度的增加，影響范圍略有增加，但增加幅度不大，最大為40m左右。

4.4 塑性區(qū)的破壞發(fā)展主要處于頂板及上覆巖層范圍內(nèi)，頂板范圍內(nèi)主要表現(xiàn)為拉伸破壞，工作面附近煤壁塑性破壞范圍較大，主要以剪切破壞為主，且影響范圍保持在10m左右；由于開采擾動的影響，上覆巖層與松散層接觸面出現(xiàn)拉伸破壞條帶，分布在工作面煤壁上方和采空區(qū)后方煤壁上方，該范圍的巖層破壞條帶逐漸向下方頂板擴展，破壞形式轉(zhuǎn)換為剪切破壞；上覆巖層發(fā)生大范圍破壞輪廓為一近似梯形。