薄基巖采動巖體裂隙發(fā)育模型試驗及顆粒流數(shù)值模擬

沈丁一 楊偉峰 高 岳

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300000;2.中國礦業(yè)大學，江蘇徐州 221116)

在我國東部地區(qū)，煤系地層的上覆巖層厚度較小，巖層上覆蓋層由一定厚度的新近系、第四系組成。巖性上以砂層、礫石層或砂礫互層為特點，總體呈現(xiàn)典型的“三含四隔”地層結構［1］。在薄基巖條件下，采礦誘發(fā)的導水裂縫帶容易破壞上覆巖層，裂隙帶直接發(fā)育貫通到基巖覆蓋層底部的含水層，導致工作面突水涌砂，威脅煤礦安全生產(chǎn)。

錢鳴高院士將基巖分為厚基巖、薄基巖和超薄基巖。將煤層厚度超過4 m，上覆巖層厚度小于40 m的基巖層定義為薄基巖［2］。薄基巖問題可查閱的最早研究文獻始于上世紀90年代初期，石平五，侯忠杰研究了頂板破斷運動規(guī)律［3，4］，柴敬采用大比例相似模型研究淺埋煤層開采的覆巖運動規(guī)律［5］。2000年以后，張惠，許家林等對于薄基巖條件下礦壓規(guī)律進行了實測研究［6-7］，楊偉峰，侯忠杰展開了模型試驗［8-9］。此后，楊偉峰，黃漢富，李振華，張建華等均以薄基巖條件為學位論文課題展開研究，取得了豐富成果［10-13］。

在前人研究取得的豐碩成果上，以某煤礦一采區(qū)為研究對象，以相似模型和數(shù)值模擬為研究手段，進行薄基巖條件下采動裂隙發(fā)育規(guī)律研究，旨在為該礦提高開采上限，防治水砂突涌，確保生產(chǎn)安全提供決策支持。

1 某煤礦工程地質(zhì)條件概述

某煤礦位于山東省兗州地區(qū)，含煤地層包括石炭系中統(tǒng)的本溪組、上統(tǒng)太原群和二疊系中統(tǒng)的山西組，太原組和山西組為主要含煤地層。含煤地層以賦存淺、煤層露頭長、煤層煤質(zhì)穩(wěn)定、水文地質(zhì)條件中等為特點，所處區(qū)域構造簡單，地層產(chǎn)狀平緩，傾角10°～15°。

煤系地層上覆層由上至下依次是:第四系(Q):厚度為133.00～194.00 m，平均厚度為158.95 m;上侏羅統(tǒng)(J3)，厚度0～106.29 m。其中第四系根據(jù)其巖性和含水特征可大致分為上、中、下三組。上組:平均厚度為64.06 m，以棕黃色為主的黏土、砂質(zhì)黏土、黏土質(zhì)砂(砂礫)及砂(砂礫)組成，層次厚薄不一，砂層較松散，透水性強，富水性強，為強含水層。中組:平均厚度53.70 m，以灰綠色黏土、砂質(zhì)黏土為主，夾黏土質(zhì)砂(砂礫)，黏土質(zhì)含量較高，砂礫層少，基本上為隔水層組。下組:平均厚度36.47 m，厚度一般較薄，由淺灰、灰白色為主的黏土，砂質(zhì)黏土，黏土質(zhì)砂(砂礫)及砂(砂礫)層組成，砂礫層所占的比例高，黏土質(zhì)含量次于中組，因而其富水性和透水性比上組弱而比中組強。該組含水性及富水性屬中等偏弱，與下伏地層呈角度不整合接觸關系。上侏羅統(tǒng)(J3)為陸相沉積，井田內(nèi)大部分地區(qū)被剝蝕掉，厚度0～106.29 m，主要為紫紅色細、中粒泥質(zhì)砂巖;下部夾有粉砂巖多層，與細砂巖互層，與下伏煤系地層呈角度不整合接觸。

2 工程地質(zhì)模型建模及試驗結果

采用中國礦業(yè)大學地質(zhì)工程系的工程地質(zhì)模型試驗架進行該礦區(qū)工作面開采相似模型試驗。采區(qū)長225 m，寬30 m，煤層上覆地層總厚度120 m，基巖高度40 m。根據(jù)相似理論［14］，模型長 1.5 m、寬 0.2 m、高0.8 m，相似比1∶150，時間系數(shù)12.2，容重系數(shù)1.0。采用河沙、重晶石粉為骨料模擬基巖，膠結物材料用石膏，煤層中加入適量煤粉用來減少材料重度，鋪設模型時鋪灑適量的云母粉作為分層弱面。模型采用分段開采，兩端分別留設0.3 m左右煤柱，設計采放高度0.05 m，開采長度0.9 m。未能模擬的上覆巖層用荷載代替，所加荷載重量200 kg。模型材料參數(shù)根據(jù)礦區(qū)巖石力學參數(shù)指標進行選取(見表1)，所設計模型如圖1。

表1 巖石力學參數(shù)

圖1 模型整體

模擬開采共分四段進行，每次開采長度約為0.225 m。開采后第一段后，從模型中可以觀測到巖層部分出現(xiàn)垮落，垮落帶高度0.1 m，發(fā)育離層高度0.16 m，可認為此時的導水裂隙帶高度0.16 m。開采第二段結束后，垮落帶高度0.14 m，離層高度發(fā)展到0.24 m，可以認為此時導水裂隙帶發(fā)育高度為0.24 m，可以觀測到上覆土層已發(fā)生變形。開采第三段時，此時垮落帶高度發(fā)展到0.16 m，而導水裂隙帶已基本貫通基巖，在巖層中呈現(xiàn)出馬鞍形，先期基巖內(nèi)出現(xiàn)的離層逐步閉合，基巖頂部與黏土層接觸處發(fā)生明顯離層，導致黏土層發(fā)生變形。開采第四段時，即到達預留煤柱處時，離層高度減小，黏土層變形加劇且出現(xiàn)裂隙，認為此時導水裂隙帶極有可能導通含水層。圖2為開采第三段時模型照片，可以清晰看到導水裂隙帶在巖層中呈現(xiàn)出馬鞍形，基巖與黏土層處的離層發(fā)育。

圖2 開采第三階段

利用相似模型所得數(shù)據(jù)，可以對實際開采中的工程地質(zhì)情況進行定性預測。圖3為預測開采過程中導水裂隙帶變化情況，導水裂隙帶最大高度預測為45 m。圖4為預測開采過程中上覆巖層頂部沉降量，最大沉降量預測為5 m。

圖3 預測開采過程中導水裂隙帶變化情況

圖4 預測開采過程中上覆巖層頂部沉降量

3 顆粒流數(shù)值模擬

顆粒流(Particle flow code)通過離散單元方法來模擬圓形顆粒介質(zhì)的運動及其相互作用［15］，應用商業(yè)軟件PFC2D由美國Itasca consulting group開發(fā)。國內(nèi)方面，周健等較早介紹其在巖土工程中的應用［16］。

PFC2D顆粒模型是通過顆粒間的相互作用來表現(xiàn)整個宏觀應力狀態(tài)，所定義的顆粒間相互作用有接觸處的法向接觸力、切向接觸力接觸摩擦力其中下標表示力由第i個顆粒單元通過接觸作用于第j個顆粒單元上。根據(jù)顆粒流理論的接觸本構假設，上述各個相互作用力分量可分別通過法向剛度、切向剛度和摩擦系數(shù)，以及法向相對位移和切向相對位移進行計算［14］

法向接觸力沿兩顆粒單元圓心的連線，切向接觸力與摩擦力則與之垂直。PFC2D給定顆粒之間的接觸模量Ec以及定義法向剛度、切向剛度之比kn/ks。

根據(jù)前述的工程地質(zhì)力學模型建立數(shù)值模擬模型。由于模型主要模擬基巖中裂隙發(fā)育及變化規(guī)律，數(shù)值模型只模擬煤層頂板巖層，未能模擬的上覆第四系土層采用補償荷載代替。

數(shù)值模型與實際采區(qū)尺寸相同，長225 m，高120 m。從煤層頂部開始由下到上分為四層，分別為砂巖、含黏砂土和黏土，第四層用來模擬上覆第四系土層。由于不能全部模擬，可以加大此層的密度，以達到上覆荷載的要求，所建模型如圖5。

圖5 數(shù)值模型及監(jiān)測點

模型共分四次進行開采，分別為30 m、60 m、90 m、135 m，兩端分別留設45 m煤柱，煤層的開采過程運用刪除墻體來實現(xiàn)。重力加速度為9.81 m/s2。模型開采過程中應監(jiān)測不平衡力和平均連接力的變化曲線及墻體所受應力的變化情況。

圖6 不同采長下模型變化情況

從圖6中可以看到，隨著采長的不同，模型的變化情況也表現(xiàn)出不同特征。當開采到30 m時，可以看到裂隙的發(fā)育情況，但并沒有貫穿基巖。當開采到60 m時，垮落球體增多，裂隙已貫穿整個基巖，上部含黏砂層已有裂隙發(fā)育。采長達到90 m時，上部砂層以發(fā)生明顯位移，裂隙更加發(fā)育。135 m時裂隙貫穿上部砂層，并延伸到黏土層，黏土層產(chǎn)生位移，并伴有微小裂隙生成。

從圖7中可以看出，煤層開采過程中，最大接觸力呈現(xiàn)出先增大后減小的變化特征，煤層開采到85 m左右時達到最大值，接觸力均在采空區(qū)上部邊緣發(fā)生應力集中。顆粒的最大位移隨采長的增加而變大，導水裂隙帶發(fā)育大致呈現(xiàn)馬鞍形狀，這與相似模型試驗所得結果一致，驗證了數(shù)值模型的有效性。

圖7 最大接觸力隨采長的變化關系曲線

4 結論

(1)根據(jù)某煤礦工程地質(zhì)條件，以相似理論為基礎，建立了薄基巖條件下工程地質(zhì)力學模型。試驗結果表明，薄基巖條件下，采動誘發(fā)的導水裂隙帶可以很快波及上覆含水層，在本模型中出現(xiàn)在第三開采階段。導水裂隙帶總體呈現(xiàn)馬鞍形，與傳統(tǒng)上三代理論相符。

(2)以顆粒流理論為基礎，建立了薄基巖條件下的數(shù)值模型。該模型首次將顆粒流模型應用于采動裂隙研究中，試驗結果與工程地質(zhì)力學模型結果相似，驗證了該數(shù)值模型的有效性。

(3)從工程地質(zhì)力學模型和數(shù)值模型模擬試驗結果可以得出:薄基巖條件下煤礦采動裂隙具有很高的可能性波及第四系松散含水層。因此，薄基巖條件下煤礦安全開采是值得重視的問題。

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［5］ 柴敬．淺埋煤層開采的大比例立體模擬研究［J］．煤炭學報，1998，23(4):391-395

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［11］ 黃漢富．薄基巖綜放采場覆巖結構運動與控制研究［D］．徐州:中國礦業(yè)大學，2012

［12］ 李振華．薄基巖突水威脅煤層圍巖破壞機理及應用研究［D］．北京:中國礦業(yè)大學，2010

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［14］ 崔廣心．相似理論與模型試驗［M］．徐州:中國礦業(yè)大學出版社，1990

［15］ Cundall P．A．，Strack O．D．L．Particle flow code in 2 Dimensions［J］．Itasca consulting group，Inc．，1999

［16］ 周健，池永，池毓蔚，等．顆粒流方法及PFC2D程序［J］．巖土力學，2000，21(3):271-274