開采覆巖運動特征及動力響應的數值模擬研究

趙亞軍,張繼高

(河北工程大學，河北 邯鄲 056038)

煤炭開采所引起的采動,在采場中會產生礦壓顯現。地表移動是煤層開采后覆巖移動由下往上逐步發展到地表的結果。覆巖巖性與組合對地表沉陷的動態過程與沉陷盆地特征有顯著影響。山西某煤礦在井田西南部大部分區域開采煤層上覆地層中，含有一層厚巖漿巖，該巖漿巖層致密堅硬，整體性好。當在小范圍非充分采動時，厚巖層依靠自身強度和剛度可以形成自撐結構。煤層開采后由下至上形成的冒落帶和裂隙帶發展到該巨厚巖漿巖后被阻隔，從而使上部巖層的彎曲變形非常小，致使“三帶”發生變異(圖1)。隨著開采范圍的增加，厚巖漿巖層內的應力逐漸積累，離層空間加大，當開采引起的彎曲應力達到和超過巖漿巖層自身強度極限時，或巖體內的斷裂結構引導，巨厚巖體產生突發性斷裂和大面積垮落，有可能引發地質災害。為保證礦井安全生產，必須搞清楚巨厚巖漿巖下部開采時覆巖的運移規律及其動力響應。

圖1 開采覆巖“三帶”發生變異示意圖

1 有限元模擬計算

1.1 有限元計算模型

計算模型計算范圍橫向為3100m，縱向900m，如圖2所示。其范圍內的地層經過多年的工程地質鉆探和野外現場測繪，斷層分布和優勢節理分布以及碎裂結構巖體的不連續面等都基本清楚，有室內流變剪切試驗、現場大塊體試驗原位直剪試驗以及室內大三軸試驗，取得了較為準確的弱層強度、巖塊強度及節理巖體強度。

圖2 有限元計算模型示意圖

模型塊體的本構關系采用莫爾-庫侖準則，節理面的本構模型選用面接觸的庫侖滑移模型。模擬開采深度-730m，距邊界510m處設置開切眼，模擬開挖長度為2100m，開挖推進步距為110m，煤層假設為水平煤層，厚度為11m，采用一次采全高方案。煤層直接頂為56m砂巖，其上分別為粉砂巖37m、泥巖36m、礫巖42m、細砂巖264m，距煤層頂板428m處是117m厚的巖漿巖，巖漿巖上為194m表土層。

1.2 計算參數的選取

巖體的力學參數見表1。

表1 巖體的力學參數

計算參數對離散元非線性模擬結果的準確性至關重要。剛度系數兩個塊體接觸，當彈性模量為E，泊松比為μ，則法向剛度系數Kn為：

Kn=(Ea)/2b

式中：a，b為塊體的尺寸。切向剛度系數Ks可由法向剛度系數Kn求得：

Ks=Kn/[2(1+μ)]

在離散單元法分析中，剛度系數作為傳力，只有選用足夠大的剛度系數才能保證計算結果的準確和穩定性。計算時節理參數如表2。

表2 計算時節理參數表

1.3 計算結果分析

由于巖漿巖這種特殊巖層的存在，使采空區上覆巖層的運動規律發生變異，所以選取巖漿巖層作為主要研究對象，對其進行模擬分析，得到結果如下。

1.3.1 位移場變化特征

模型從開切眼開始推進，分別在不同標高設置監測線，監測豎向位移。-720監測線下沉曲線如圖3所示。

1.3.2 位移矢量場變化特征

開挖500m位移矢量圖如圖4所示。從圖4可以看出，巖漿巖下部覆巖移動規律基本上不受巖漿巖的影響，直接頂冒落后，上部巖層出現裂隙并發生彎曲下沉，位移增大是緩慢的過程，并且其移動規律也是非線性的，距離頂板越近，下沉量越大，其余監測點也出現整體下沉的現象。上覆巖層有向采空區移動趨勢。巖漿巖層在第一次出現破斷現象后，導致其位移突然增大，并且位移增大速度較大，位移變化量也較大。巖漿巖發生第二次破斷時，位移增大速度較小，說明其為一個緩慢下沉的過程，對下部巖層的影響較小。上部第四系粘土巖位移變化規律與巖漿巖層相似，表明其位移變化主要受巖漿巖層控制。

圖3 標高-720m監測線位移下沉變化曲線

圖4 開挖500m位移矢量圖

1.3.3 應力場變化特征

通過模擬計算,得到不同開挖步巖體內部的應力分布圖，開挖至 500m 時的最大主應力分布圖如圖5所示。

由圖5可以看出：采空區兩幫巖體處于較高的應力狀態，采空區上方由于巖體垮落，應力得到釋放，應力比較小。垮落帶上方出現主應力增大的區域，這是由于形成多個“壓力拱”，“壓力拱”承擔主要承力體，并沿著拱形橢圓區域把上覆巖層的應力、荷載傳遞到采空區兩幫。上部的緩慢下沉帶主應力較小，并且比較平均。巖漿巖層的主應力比較大，大部分35MPa到40MPa，但是主應力較大的區域局限于采空區上方，范圍比較小。

圖5 開挖500m局部最大主應力分布圖

2 結論

通過對研究區域開挖過程的離散元數值模擬，得到如下結論:

1) 巖漿巖層在整個覆巖移動過程中起主導作用，巖漿巖下部巖層遵循“三帶”移動規律，巖體冒落、裂隙、彎曲下沉比較明顯。

2) 巖漿巖層應屬于彎曲下沉帶，但由于其本身特殊的力學性質，使巖層移動發生變異。在開挖過程中巖漿巖層與下部巖層之間出現較大的離層空間，隨著工作面的推進，巖漿巖首先出現分層，然后突然發生破壞，對下部巖體產生沖擊，同時離層逐漸閉合，與下部巖層出現有效的荷載傳遞，致使下部巖層應力突然增大，此后巖漿巖層進入比較穩定狀態，隨后巖漿巖層發生整體運動。巖漿巖層在破壞過程中，豎向位移突然增大，上部表土層受其影響，位移隨之增大。巖漿巖層在整個開挖過程中對覆巖移動、應力變化及地表沉降都起控制性作用。由于巖漿巖層一直處于較高的應力狀態，在破壞過程中釋放大量的能量，對整個采場產生比較大的影響，極易發生重大事故。

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