基于FLAC3D的煤層開(kāi)采覆巖破壞特征研究

劉延利 劉啟蒙 張周鑫

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

煤礦生產(chǎn)中煤層開(kāi)采引起的上覆巖體變形破壞問(wèn)題一直是與瓦斯、水害并列為三大主要問(wèn)題，在我國(guó)各生產(chǎn)科研單位都對(duì)其進(jìn)行專題研究并取得了很大的進(jìn)展[1]，目前確定“兩帶”形態(tài)特征的方法主要有經(jīng)驗(yàn)公式、物理模擬、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試以及數(shù)值模擬方法[2]，常規(guī)方法局限頗多；近些年發(fā)展起來(lái)的數(shù)值模擬技術(shù)被很好的應(yīng)用到這一領(lǐng)域中[3]。本文運(yùn)用有限差分軟件FLAC3D模擬7131工作面煤層開(kāi)采中上覆巖體變形破壞特征，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明此法在該例“兩帶”預(yù)測(cè)中效果良好。

1 工程概況

祁東煤礦一水平三采區(qū)7131工作面作為模擬對(duì)象，地面標(biāo)高為+21m，工作面標(biāo)高-393.8m～-471.7m；走向長(zhǎng)1630m，傾斜長(zhǎng)160m；煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單平均厚3.0m，產(chǎn)狀變化不大；傾角平均為12.5°。礦井范圍內(nèi)為一單斜構(gòu)造，采用頂板全部垮落法機(jī)械化綜采。煤層頂板為復(fù)合型頂板，直接頂板為深灰色泥巖或細(xì)砂巖，厚度不穩(wěn)定。老頂為為淺灰色砂巖平均厚16m。其上泥巖類巖層平均厚約20m。粉砂巖平均厚12m。煤層底板為細(xì)粉砂巖。頂?shù)装寰植苛严栋l(fā)育，富水性弱。

2 FLAC3D數(shù)值模擬

本次模擬通過(guò)有限差分計(jì)算模型建立與運(yùn)行，命令流導(dǎo)出相關(guān)特性值圖像，直觀反映71煤層開(kāi)采過(guò)程中上覆巖體移動(dòng)、變形、破壞等特征。

2.1 模型的建立

地質(zhì)模型的建立遵循綜合全面因素、簡(jiǎn)化又反映實(shí)際，尺寸適合的原則。根據(jù)工作面特征，模型設(shè)計(jì)規(guī)格為200(X)*100(Y)*80(Z)，開(kāi)采煤層厚度3.0m，埋深擬定為400m，煤層底板預(yù)留深度15m，上覆巖層62m，近水平模擬。模型如圖1。

2.2 模型初始與邊界

為盡可能的真實(shí)體現(xiàn)地下空間開(kāi)挖情況，更好地進(jìn)行受力特性模擬和塑性流動(dòng)分析，需人為封閉單元體，定義左右邊界為單約束邊界，取u=0，v≠0(u為X方向位移，v為Y方向位移)；底部邊界為全約束邊界，取u=v=0；頂部為自由邊界。

頂端施加等效荷載，即自重應(yīng)力σz=γ·H式中，γ為上覆巖層重力密度取25kN/m3；H為模型頂界距地表的深度，本例中H為400，在水平方向上施加由自重力產(chǎn)生的側(cè)向應(yīng)力σx=λ·σy式中，λ為側(cè)壓系數(shù)，由 λ=μ/(1-μ)確定，μ 為泊松比，取值 0.3。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)

2.3 本構(gòu)模型與力學(xué)參數(shù)選取

本次研究確定煤系巖體的本構(gòu)模型選取較為實(shí)用的莫爾-庫(kù)侖塑性模型，判別準(zhǔn)則采用莫爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則描述。模型中各煤巖層的力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，見(jiàn)表1。

在未進(jìn)行煤層開(kāi)挖之前賦予全部屬性，得到初始地應(yīng)力平衡狀態(tài)，反映原始地層未受擾動(dòng)影響條件下原位應(yīng)力分布情況，見(jiàn)圖2所示顯現(xiàn)了 σXX、σYY、σZZ三向主應(yīng)力均值分布。

圖1 模擬模型圖

圖2 初始應(yīng)力平衡圖

2.4 模擬計(jì)算結(jié)果與分析

本次計(jì)算開(kāi)挖設(shè)計(jì)開(kāi)挖步距為20m，共開(kāi)挖5步計(jì)100m，沿模型走向開(kāi)挖兩端各預(yù)留50m作為保護(hù)煤巖柱，兩側(cè)煤巖幫各預(yù)設(shè)35m。

選取開(kāi)挖40m和100m步長(zhǎng)為典型代表，分別從塑性破壞、應(yīng)力分布、位移變化三個(gè)方面來(lái)分析說(shuō)明覆巖破壞隨空間和時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

2.4.1 塑性破壞區(qū)模擬結(jié)果分析

隨著工作面回采，煤層頂板相繼出現(xiàn)不同程度的破壞，由下而上依次發(fā)育拉伸破壞和拉伸裂隙區(qū)可用于判斷垮落帶、裂隙帶的發(fā)育高度。圖3為工作面沿走向推進(jìn)的覆巖塑性破壞場(chǎng)模擬結(jié)果。頂板破壞類型以剪切與拉伸破壞為主，在煤壁前方和工作面后方塑性破壞形成典型的“馬鞍”型破壞特征；開(kāi)挖到100m時(shí)圖中顯示出了5個(gè)步距時(shí)段塑性破壞區(qū)域的特征，對(duì)應(yīng)著“兩帶”分布區(qū)域特征。

圖3 塑性破壞圖

2.4.2 應(yīng)力場(chǎng)模擬分析

圖4為工作面推進(jìn)時(shí)的垂直應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果。在煤壁的前方和工作面后方產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中的“凸”型應(yīng)力帶。隨著工作面推進(jìn)采空區(qū)被填充壓實(shí)，前方形成超前移動(dòng)的支撐壓力，在每一步開(kāi)挖中都形成一個(gè)類似于“步距”的應(yīng)力帶，至開(kāi)挖到100m終止圖中記錄了5個(gè)填充步距的應(yīng)力分布特征。大致可分為未受采動(dòng)影響區(qū)、受采動(dòng)影響區(qū)和受采動(dòng)影響劇烈區(qū)。

圖4 垂向應(yīng)力分布圖

2.4.3 位移場(chǎng)模擬分析

圖5所示為位移變化量級(jí)分布圖，從圖中清楚地看出，頂板巖體隨采位移變化特征，位移最大變化量始終在采空區(qū)正上方，兩幫形成了對(duì)上支撐致使側(cè)幫變形較小；隨開(kāi)挖推進(jìn)而依次向前發(fā)展，采空區(qū)前方巖體的下沉梯度較后方大，形成非對(duì)稱性分布隨工作面推進(jìn)距離而增加，而后方經(jīng)壓實(shí)使得下沉量逐漸趨于一致?？傮w上頂板位移變化呈現(xiàn)出移動(dòng)拱形的特征。

圖5 頂板巖體位移變化量級(jí)圖

3 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值模擬與分析，結(jié)合塑性破壞圖與位移變化圖，煤層開(kāi)采上覆巖體塑性破壞總體上表現(xiàn)為“馬鞍”型特征，應(yīng)力的重分布為兩端集中分布中間較小的類似拱形特征，位移場(chǎng)的變化體現(xiàn)出階段性特征，每一步推進(jìn)都表現(xiàn)為前方下沉較大于后方的不對(duì)稱型分布。確定了7131工作面“兩帶”高度值為37.5～39m，基本與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)值基本相符。在資料真實(shí)準(zhǔn)確的情況下，數(shù)值模擬方法是可靠的。

［1］李增學(xué)，等.礦井地質(zhì)學(xué)[M].北京∶煤炭工業(yè)出版社，2009.

［2］偉韜，武強(qiáng)，李獻(xiàn)忠，等.覆巖裂縫帶發(fā)育高度的實(shí)測(cè)與數(shù)值仿真方法研究[J].煤炭工程，2005，51(11)∶55-57.

［3］朱建明，徐秉業(yè)，朱峰，任天貴.FLAC有限差分程序及其在礦山工程中的應(yīng)用[J].中國(guó)礦業(yè)，2000，9(4)∶78-81.