基于FLAC3D的水平分層放頂煤開采覆巖移動規律研究

董良志 等

摘 要：放頂煤開采是一個破壞原巖平衡狀態的行為，這一行為將引起周圍巖體的移動，煤層開采過程中的覆巖移動規律是煤礦開采地壓控制的基礎，準確判定煤層開采后上覆巖層的變形移動規律對于頂煤松動預裂技術優化和礦壓防治工作意義重大，本文將巖土工程界運用廣泛的數值模擬軟件FLAC3D用于模擬煤層開采引起上覆巖體的移動，通過計算機模擬得到了在采場中隨工作面推進的上覆巖體移動規律。

關鍵詞：FLAC3D；覆巖；規律

1 概述

放頂煤開采是一個破壞原巖平衡狀態的行為，這一行為將引起周圍巖體的移動，放頂煤的開采將導致圍巖移動變形、巖層卸壓使得上部巖層地應力降低、裂隙發育，一方面使煤層透氣性大幅度提高，為被保護層的卸壓瓦斯抽采提供了可能，另一方面削弱了煤與瓦斯突出的潛能，在對煤層開采工程以及巖石工程等開挖工程問題進行研究時，人們普遍采用現場試驗、數值模擬以及相似材料模型相結合的研究方法，其中采用計算機數值模擬研究方法能較全面的分析煤層開挖過程中上覆巖層的移動變形、應力隨煤層開采的時空變化規律。放頂煤開采過程中會導致煤巖層頂底板和上覆巖層的移動變形，在頂底板一定范圍內造成地應力降低，研究煤層開采上覆巖層的移動變形規律有助于進一步研究煤層壓力、滲透性變化及頂煤松動預裂技術優化提供基礎。

2 FLAC3D簡介

FLAC起源于流體動力學，是快速拉格朗日差分分析的簡稱，該分析方法最早由用于固體力學領域，FLAC3D程序是快速拉格朗日差分分析方法的三維應用，是FLAC模擬軟件向三維空間的擴展。目前已經成為采礦工程等巖石力學計算中的最重要數值方法之一，該程序軟件在邊坡穩定性評價、動力學、地下洞室施工設計、地質構造及塊體運動學、巷道支護設計及評價、隧道工程、河谷演化進程再現、礦山工程等多個領域研究中得到廣泛應用，特別適合求解巖土力學工程中非線性的大變形問題。

3 煤層賦存情況

孔莊煤礦井田內主要含煤地層有太原組、山西組及下石盒子組，含煤地層總厚度約487.37m，含煤20多層，煤層平均總厚度約15.79m，含煤系為3.24%，其中可采或局部可采煤層5層（7、7下、8、17、21）總厚度約9.79m，主要煤層含煤系數為2.01%。井田內的主要可采煤層為7煤層和8煤層，本礦井尚未開采17、21兩層煤。

7號煤層位于山西組中下部，上距下石盒子組底部分界砂巖約72m，下距8煤4.17～40.18m之間，西翼巖漿巖侵入嚴重，煤層兩極厚度為2.00～6.52m，一般厚度為4.54m，7煤結構較簡單，只有少數工作面煤層中有夾矸，夾矸厚0.40～1.40m，另外在7251工作面出現了面積為60000m2含矸區域，夾矸最大厚度1.20m，夾矸將煤層分為上3.70m，下為0.80m，夾矸巖性多為砂質泥巖、細砂巖。如圖1所示：

目前7#煤層采用走向長壁后退式綜采放頂煤采煤方法，其中機采2.5m，放頂煤層厚度2.3m，由于頂板處煤層層理、裂隙較發育，易破碎垮落，局部揭露煤層底板泥巖，層理、節理較發育，泥質膠結，穩定性差，為防止冒頂事故發生，需要對放頂過程中的上覆巖層移動變形規律進行研究，以便為開采設計提供科學依據。現采用數值模擬研究的方法研究走向長壁后退式綜采放頂煤采煤時對上覆巖體的影響。

4 模擬模型的建立

4.1模型模擬參數選取 本數值模擬試驗建立工作面沿走向模型，通過數值模擬計算，從理論上研究放頂煤層開采對上覆煤巖體移動變形影響作用。

FLAC3D數值模擬軟件中包含了11種材料本構模型，其中包括七種塑性模型和三種彈性材料模型以及一種空單元模型，巖石工程界常用的摩爾-庫倫模型就屬于七種塑性模型中的一種，針對開采保護層的物理模型，我們采用摩爾-庫倫模型。

考慮到使用摩爾-庫倫模型時剪切模量、剪脹角、密度、粘聚力、體積模量、摩擦角等

是摩爾-庫倫模型所需輸入的參數，該模型的破壞包絡線對應于摩爾-庫倫判據加上拉伸分離點。由于本次模擬研究研究具有一般性，目的在于得到各個因素對應力變化的影響情況，所以本次數值模擬將所需的參數取實測的平均值，各個參數取值如表1：

4.2 模擬區域范圍確定 一般來說煤層開采后頂板覆巖移動遠大于底板巖層移動，本文主要研究煤層放頂開采后上覆煤巖移動規律。考慮到煤層、頂板及底板三者之間的變形協調規律以及煤層采出后在包括頂底板在內的圍巖原始應力要發生變化、產生變形、移動乃至破壞，其波及范圍往往很大，但是按照圣維南原理，其影響范圍仍有一定的限度。為最大限度模擬本區域煤層開采后的上覆巖層移動變形規律，模擬范圍的確定是一個難點，模擬區域過小往往不能準確的再現開挖工程中周圍巖體的移動、變形、破壞規律，模擬區域過大則計算時間長、工作量大。本次數值模擬模型的范圍：煤層頂板以上3.9m砂質泥巖外加30m的間接頂板，煤層底板以下2.5砂質泥巖外加30m的間接底板以及4.65m厚的煤層，考察停采線和開切眼各向外擴展50m作為模型的左、右邊界，傾向模型的上、下、左、右邊界取法同走向模型。傾向模型和走向模型都采用類似的約束邊界條件，煤層邊界以上的巖層作為外載荷施加在模型的上邊界上，其他方向采用應力邊界條件。

4.3 模擬網格的劃分 煤層在放頂開采后所導致的上覆煤巖移動、破壞是一個漸進的演變過程，隨著采空區范圍的不斷擴大，應力的不斷調整而發展變化的，必須通過對開采過程進行數值模擬才能夠使之轉化成實際的動態問題來掌握其發生、發展演化史。據此結合工作面的推進進度，將走向模型分解成一連串的4個模型分別模擬開采10m，30m，50m，100m進行分步開采。

接著要將網格離散，網格的離散原則上是劃分得越細越好，但是由于計算機容量和計算速度的限制，不可能將網格劃分得過細。本次模擬試驗研究將走向、傾向模型均劃分成132800個單元，同時考慮到邊界效應，網格劃分采用等間距與不等間距相結合。

5 上覆巖體位移變化規律模擬

通過對上述模型進行煤層的開挖模型模擬，分別模擬了煤層開采的工作面推進10m、30m、50m、100m時上覆巖體的豎向的移動變形規律，模擬結果如圖2～5所示。

6 模擬結果分析

圖6即為煤層工作面上覆巖體觀測線垂直移動量隨開采長度的變化規律圖，當煤層開采的工作面推進到30m時，采空區上部觀測線移動量左右對稱，最大向下移動量為11.8mm，工作面煤柱邊沿下部觀測線未出現下移，基本呈倒V字形。

隨著工作面的進一步推進，采空區越來越大，設置在上覆巖層中的觀測線移動量也相應增加，移動量向工作面側偏斜，由左右對稱逐漸向非對稱轉移，而且隨著工作面的推進，下移量由小變大，在煤柱邊沿下部也逐漸出現了向下移動變形的狀況，當煤層工作面開采到100m時，觀測線最大下移量為89.0mm。

7 結論及下一步工作

通過數值模擬得到采場中隨工作面推進的上覆巖體移動規律，工作面推進后，采空區上部巖層隨之向下移動，且移動呈左右對稱，基本呈倒V字形，煤柱底板側幾乎不移動；隨著推進距離加大，上部巖層移動量加大，且底板側移動量大于頂板側，移動中心整體向底板側偏移。本次模擬的數據量不夠大，下一步一方面要以10m為一個單元詳細對比分析上部巖層隨推進距離影響變化量，計算得到頂板最活躍范圍；另一方面，將模擬推進距離增大到500m，計算得到具體推進多少米后覆巖不再移動，重新穩定達到平衡，從而指導生產。

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作者簡介：董良志（1982-），江蘇沛縣人，本科學歷，2013年1月畢業于中國礦業大學采礦工程專業，助理工程師，歷任上海大屯能源股份有限公司孔莊煤礦技術員等職務，從事采掘技術管理工作。