基于RFPA2D下覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育特征分析與應(yīng)用

摘 要：為了更好地了解頂板巖體的工程地質(zhì)特征，對(duì)研究區(qū)8煤層頂板巖石沉積環(huán)境進(jìn)行了綜合分析，提出研究區(qū)8煤層為一套高建設(shè)性淺水三角洲沉積體系及沉積相序，并利用全過(guò)程破裂軟件RFPA2D對(duì)8煤層頂板開(kāi)采下覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育特征進(jìn)行了模擬，這不僅為采區(qū)的初步設(shè)計(jì)提供了參考，也為后期巷道的合理設(shè)計(jì)支護(hù)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：淺水三角洲；數(shù)值模擬；采動(dòng)裂隙；頂板穩(wěn)定性

1 序言

地下煤巖體被采動(dòng)后，巖體周圍的平衡應(yīng)力狀態(tài)被破壞，致使其發(fā)生變形甚至破壞。這些變化直接或間接的導(dǎo)致了頂板垮塌、煤與瓦斯突出、沖擊地壓、礦井透水、突水等問(wèn)題的發(fā)生[1]。其中頂板事故的發(fā)生頻率較高，約占事故總起數(shù)的54.42%[2]。這些問(wèn)題對(duì)煤礦安全生產(chǎn)造成了很大的障礙，給我國(guó)人民的生產(chǎn)生活造成了很大損失。

蘆嶺煤礦位于安徽省宿州市東南20余公里處，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和淺層煤炭資源的逐漸枯竭，其開(kāi)采深度也由淺水平向深水平延伸過(guò)度，煤層頂板問(wèn)題的日趨嚴(yán)重直接困擾著該礦的正常生產(chǎn)。該礦8煤層位于下石盒子組下部，上距7煤層約20m，下距9煤層約3.5m，該段巖石主要為砂巖、粉砂巖、泥巖和煤。通過(guò)分析鉆孔資料與生產(chǎn)資料知：該礦8煤層的直接頂板以泥巖為主，局部含細(xì)砂巖、粉砂巖、中砂巖及炭質(zhì)泥巖，偽頂以砂質(zhì)泥巖或泥巖為主，呈薄層狀，局部含少量細(xì)砂巖，植物根莖化石碎片發(fā)育。

為了更加清楚的了解蘆嶺煤礦8煤層頂板工程地質(zhì)特征，確保采取合理的頂板管理方法和科學(xué)的支護(hù)選型，在對(duì)沉積環(huán)境充分分析的基礎(chǔ)上，對(duì)在采動(dòng)效應(yīng)下工作面頂板冒裂進(jìn)行了數(shù)值模擬。這對(duì)于揭示頂板穩(wěn)定性和相關(guān)工程力學(xué)問(wèn)題的內(nèi)在機(jī)制具有理論和實(shí)際應(yīng)用意義，也為煤炭開(kāi)采中頂板巖層控制提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)[3]。

2 沉積環(huán)境分析

晚石炭世，華北含煤沉積盆地南帶一度頻繁地發(fā)生海進(jìn)海退作用，沉積了一套含大量海相動(dòng)物化石的淺海碳酸鹽、潮坪及煤層互層的海陸交互相沉積。這很符合淺水三角洲形成的基本條件即地形十分平緩，基底整體一致下降[4-5]。盆地北部構(gòu)造板塊在早二疊世晚期快速上抬，致使南北高差明顯加劇，由于重力的作用該淺海碳酸鹽沉積盆地沉積了大量的陸源碎屑，形成了一套河道高建設(shè)性三角洲沉積建造。

在平面上砂體的主要分布形態(tài)為帶狀、分叉狀分布，在剖面上的分布形態(tài)為透鏡狀、條帶狀分布（見(jiàn)圖1-2），且頂板巖石中含少量植物化石，潮汐層理大量發(fā)育，結(jié)合測(cè)井曲線（見(jiàn)圖3）分析知早二疊世晚期，8煤形成之后海水入侵使本區(qū)變?yōu)闇\水海灣環(huán)境，在其上沉積了高建設(shè)性淺水三角洲沉積體系及其沉積相序，即8煤層的沉積環(huán)境。

在此基礎(chǔ)上，總結(jié)了8煤層頂板五類不同的煤巖相組合類型，為后期頂板分類提供了依據(jù)，即：（1）煤-老頂組合類型；（2）煤-頁(yè)巖-老頂組合類型；（3）煤-細(xì)砂巖-老頂組合類型；（4）煤-泥巖-老頂組合類型；（5）煤-粉砂巖、泥巖-老頂組合類型。

3 數(shù)值模型

大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，煤體經(jīng)采空以后，煤層頂板附近的圍巖會(huì)發(fā)生巖層彎曲、下沉、甚至坍落等現(xiàn)象。在連續(xù)介質(zhì)、損傷介質(zhì)力學(xué)原理的基礎(chǔ)之上，開(kāi)發(fā)了RFPA2D軟件，它可以直觀、有效地模擬巖石破裂全過(guò)程，并且具有應(yīng)力分析和破壞分析兩方面的功能。本次選用了第一類煤巖相組合類型中標(biāo)志性較強(qiáng)、巖層分布明顯、巖性描述準(zhǔn)確、構(gòu)造簡(jiǎn)單的2000-1孔，借助RFPA2D數(shù)值計(jì)算軟件來(lái)模擬分析采動(dòng)過(guò)程中圍巖的變化規(guī)律，以及巖體變形、破壞特征。

3.1 頂?shù)装鍘r石特征

模擬實(shí)例位于煤層頂板主要為偽頂發(fā)育區(qū)，其偽頂為0.1m～0.3m，老頂主要有泥巖及煤層組成，巖層呈層狀分布，且容易發(fā)生離層現(xiàn)象，第一關(guān)鍵層厚度較薄。考慮到實(shí)際軟件模擬需要，將巖層厚度統(tǒng)一四舍五入為整數(shù)，對(duì)于極薄的偽頂和其它巖層在模型中僅以相應(yīng)特征的薄分層代替（見(jiàn)表1）。

3.2 計(jì)算模型與邊界條件

根據(jù)8煤層分布特征模型尺寸為水平280m×垂 直130m，整個(gè)模型共劃分為 36400 （280*130）個(gè)細(xì)觀單元模型豎向范圍。對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)為：頂部距8煤層頂板116m，底部距8煤層底板6m，由于省略了現(xiàn)場(chǎng)頂部幾百米厚覆巖產(chǎn)生的自重應(yīng)力，因此在模型上方施加了一等效荷載。模型每一步的開(kāi)挖長(zhǎng)度為5m，高為2m。考慮到生產(chǎn)要求，需在模型左右兩端分別預(yù)留一定的的煤柱。并使模型兩端產(chǎn)生一定程度的水平約束，且底部固定。圖形的灰度值代表巖層的彈性模量，巖層彈性模量越大，亮度越高。計(jì)算模型如圖1所示。

4 結(jié)果分析

當(dāng)工作面沿切眼開(kāi)挖10m時(shí)，由于上覆巖層失去了下部巖層的支撐，使直接頂及上覆巖層之間皆出現(xiàn)了不同程度的裂隙，部分頂板發(fā)生了冒落。

當(dāng)工作面推進(jìn)35m時(shí)，第一關(guān)鍵層發(fā)生彎曲下沉，形成了垂直或斜交于巖層層面的破斷裂隙（見(jiàn)圖5），并生斷裂然后失穩(wěn)垮落（見(jiàn)圖6）。

工作面推進(jìn)50m時(shí)，第一關(guān)鍵層再次出現(xiàn)斷裂，第二關(guān)鍵層下部巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象，在豎向裂隙發(fā)育于整個(gè)直接頂?shù)耐瑫r(shí)，直接頂也發(fā)生了大幅度垮落。在離層裂隙和豎向裂隙共同作用下，最終發(fā)育了較大范圍的裂隙帶。同時(shí)，基本頂?shù)纳衔卉泿r層協(xié)同其彎曲下沉，進(jìn)而形成了大量的離層裂隙（見(jiàn)圖7）。

工作面推進(jìn)70m時(shí)，第二關(guān)鍵層出現(xiàn)大幅度彎曲，上覆巖層出現(xiàn)離層及斷裂現(xiàn)象（見(jiàn)圖8），隨著工作面的推進(jìn)，采動(dòng)裂隙繼續(xù)發(fā)育，冒落帶和裂隙帶的高度均有所增加。冒落帶中下部已垮落的巖塊被壓實(shí)。

5 相關(guān)應(yīng)用

對(duì)第一類煤巖相組合類型中2000-1孔附近的1～2個(gè)工作面開(kāi)展了礦壓及頂板冒落特征的定期觀測(cè)工作，結(jié)果表明實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果相關(guān)性較好，在校正模擬結(jié)果與積累了經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)蘆嶺煤礦8煤層其它四類煤巖相組合類型中不同區(qū)域的標(biāo)志性鉆孔做了大量模擬工作，為頂板管理提供了寶貴的資料。

在安全生產(chǎn)方面，由于提前對(duì)頂板條件進(jìn)行了預(yù)測(cè)，使得在蘆嶺煤礦Ⅱ882-1、Ⅱ827-1等工作面頂板管理及支護(hù)選型方面變被動(dòng)為主動(dòng)，有效地避免了基本頂板切頂事故，減少了直接頂?shù)拿奥洌踩Ч@著。保障了生產(chǎn)安全，社會(huì)效益均十分顯著。此外在經(jīng)濟(jì)效益方面，由于對(duì)頂板的有效控制，減少了由于工作面局部地段空頂，支架初撐力，支架調(diào)斜、甚倒架等現(xiàn)象，節(jié)約大量的時(shí)間，提高了工作面回采效率，節(jié)約了大量資金。

6 結(jié)束語(yǔ)

6.1 對(duì)研究區(qū)8煤層沉積環(huán)境進(jìn)行了多方面的分析，提出其為一套高建設(shè)性淺水三角洲沉積體系及沉積相序，并以此將8煤層頂板劃分為五類不同的煤巖相組合類型，為頂板的分類提供了依據(jù)。

6.2 第一類不穩(wěn)定頂板，其巖石主要為前三角洲泥或復(fù)合頂板巖石，頂板回采時(shí)如果不能及時(shí)的進(jìn)行支護(hù)，容易發(fā)生冒頂。利用數(shù)值模型來(lái)表征覆巖在采動(dòng)下的裂隙發(fā)育特征，在與生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比的基礎(chǔ)之上，得到了較準(zhǔn)確的結(jié)果，這不僅為蘆嶺煤礦煤層頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供了新的思路，也對(duì)我國(guó)其它地質(zhì)條件類似的井田乃至礦區(qū)有了重要的參考借鑒價(jià)值。

6.3 雖然RFPA2D軟件功能強(qiáng)大可靠，但是由于實(shí)際的地質(zhì)環(huán)境千差萬(wàn)別，無(wú)法完全真實(shí)地考慮巖體中的復(fù)雜構(gòu)造、地下水等因素對(duì)頂板的影響，這就會(huì)導(dǎo)致在砂巖含水層、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜等區(qū)域的模擬結(jié)果與實(shí)際有偏差，所以更應(yīng)該注重在對(duì)巖體及相關(guān)地質(zhì)情況充分了解的基礎(chǔ)上，再與數(shù)值模型合理地進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，才能得到更加符合、逼真實(shí)際的效果。

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作者簡(jiǎn)介：曾小英（1985-），女，漢，福建龍巖人，助理工程師，地質(zhì)勘探技術(shù)員，主要從事地質(zhì)水文勘探方面的工作。