急傾斜煤層頂板垮落過程的RFPA數(shù)值模擬研究

溫彥良，常來山，張宏偉

(1.遼寧科技大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

急傾斜煤層儲量占我國煤炭總儲量的4%，而南方地區(qū)80%的礦區(qū)賦存有急傾斜煤層[1]。由于煤層傾角大、賦存不穩(wěn)定，急傾斜煤層開采方法一直是采礦技術(shù)中的難題。現(xiàn)有研究結(jié)果表明，急傾斜煤層的頂板垮落和礦壓顯現(xiàn)特征[2-3]明顯區(qū)別于緩傾斜煤層，巖層的破壞特征和頂板的來壓情況具有其特殊性。因此，深入研究急傾斜巖層頂板的破壞特征，對于礦山的安全生產(chǎn)有著很重要的指導(dǎo)意義。以長溝峪礦15槽煤層為例，采用RFPA數(shù)值模擬手段，對急傾斜煤層頂板垮落過程中的巖移規(guī)律和礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，進(jìn)行了動態(tài)模擬研究。

1 煤層概況

長溝峪礦15槽煤層位于超嶺向斜的東南翼，單斜構(gòu)造，起伏變化較大,煤層總體走向北東5°。傾角55°～倒轉(zhuǎn)60°；煤層厚度變化較大，1.5～4.5m，平均厚度3.5m，15槽煤老頂為龍門組礫巖；直接頂為細(xì)砂巖或粉砂巖；底板為粉砂巖。

由于房山花崗巖體的大面積侵入，形成東西方向的主壓應(yīng)力，煤巖石受到強(qiáng)烈擠壓，煤層結(jié)構(gòu)受到破壞，煤質(zhì)松散，極易塌冒，煤炮現(xiàn)象比較嚴(yán)重，頂?shù)装鍓毫^大。

2 RFPA頂板垮落過程模擬

巖石破裂全過程分析軟件系統(tǒng)RFPA2D [4]，基于有限元的基本理論，將非均質(zhì)參數(shù)引入到計(jì)算單元中，可以按照韋伯分布來對單元的彈模和強(qiáng)度等參數(shù)賦值，并對破壞單元進(jìn)行剛度退化處理，故可以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法處理物理非連續(xù)介質(zhì)。因此，實(shí)現(xiàn)了對巖石破壞及變形的從微觀到宏觀破壞過程的模擬。

模擬中采用分步開挖的方式，允許由于分步開挖引起的應(yīng)力重新分布對進(jìn)一步變形和破壞過程的影響破壞，使得模擬地下開采過程中伴隨的破壞過程更接近于實(shí)際情況。

2.1 模型建立

RFPA數(shù)值計(jì)算中，模擬的實(shí)體長度和深度范圍為300m×500m，模型長度劃分200個單元，高度劃分250個單元，單元總數(shù)為50000個。模型與實(shí)體的計(jì)算比例尺為1∶1500。由于煤系地層是由沉積物形成的，具有明顯的“成層性”，同時由于地質(zhì)構(gòu)造及物理性破壞的影響，使得巖體內(nèi)出現(xiàn)了層面、斷裂、節(jié)理等不連續(xù)界面。這些不連續(xù)面的存在，對于采動以后上覆巖層破影響巨大。因此，為了使模擬效果更接近實(shí)際，頂板巖層中加入了若干弱面單元。

2.2 煤巖體物理力學(xué)指標(biāo)確定

通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式，對15槽煤層及頂板的視密度、單向抗拉強(qiáng)度、單向抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、凝聚力、內(nèi)摩擦角等進(jìn)行了測試。測試結(jié)果見表1。然后，根據(jù)Hoek-brown準(zhǔn)則折算得出煤巖體的物理力學(xué)指標(biāo)，作為模擬中的參數(shù)賦值。

表1 煤巖物理力學(xué)指標(biāo)

2.3 頂板垮落動態(tài)仿真模擬

模擬之前，應(yīng)對模型進(jìn)行邊界條件和計(jì)算條件設(shè)置。煤層開挖問題，可以簡化為平面應(yīng)變問題來考慮，同時對模型兩側(cè)進(jìn)行位移約束。模擬過程中，只考慮自重應(yīng)力。

采煤過程可以通過模型開挖功能實(shí)現(xiàn)，每開挖一步，表示采一次煤。模擬中，一次開挖步長確定為3m，總共開挖20步，長度60m。在計(jì)算過程中，計(jì)算機(jī)自動按所給步長進(jìn)行開挖，每開挖一個步長，機(jī)器就自動進(jìn)行解算一次。當(dāng)算至沒有破壞單元時，再自動開挖一步，然后再自動解算，直至將所有給定的開挖步算完為止。

當(dāng)煤層從開切眼開采后，其頂板不是以直接頂-老頂-上覆巖層為垮落順序，而是隨煤層不斷向下開采，處于開切眼上方煤巖體開始出現(xiàn)拉伸破裂并逐漸向上延伸。當(dāng)煤層開采21m時，頂板巖體出現(xiàn)破裂并隨采動向上發(fā)展；當(dāng)煤層開采至27m時，工作面上覆巖體突然出現(xiàn)較大范圍的受拉破壞，并與開切眼上方煤巖體貫通，在工作面上方形成一個漏斗形破碎區(qū)，這個破碎區(qū)隨煤層開采而下落，回采工作面出現(xiàn)老頂初次來壓；當(dāng)開采至36m時，工作面頂板出現(xiàn)裂隙擴(kuò)展，即將出現(xiàn)周期來壓，但范圍較小，同時，隨著采深的加大，煤層底板也開始出現(xiàn)相應(yīng)破壞。

模擬過程圖的灰度值，可以表示頂板垮落前后工作面煤體的支承壓力變化。當(dāng)煤層從開切眼開始開采后至頂板垮落前，開切眼上方附近煤體及頂?shù)装?、工作面下方附近煤體及頂?shù)装逄幱谥С袎毫ι邊^(qū)，而且支承壓力升高區(qū)的范圍，隨開采長度加大而增大。開切眼至工作面間的煤層頂?shù)装逄幱跍p壓區(qū)，由于煤層傾角較大，減壓區(qū)在水平方向上范圍較小。

利用RFPA系統(tǒng)多單元信息功能，提取頂板上方10m處巖體的應(yīng)力值。圖中深藍(lán)色表示剪應(yīng)力(Shear)，綠色表示最大主應(yīng)力(Max)?？梢钥闯?，回采工作面頂板巖體支承壓力，隨煤層開采時頂板冒落范圍增大而降低，

3 結(jié) 論

(1)應(yīng)力分布規(guī)律

當(dāng)煤層開采后，頂板巖體出現(xiàn)破裂并隨采動向上發(fā)展，之后在工作面上方形成一個漏斗形破碎區(qū)，這個破碎區(qū)隨煤層開采而下落；開切眼上方煤體及頂?shù)装濉⒐ぷ髅嫦路矫后w及頂?shù)装逄幱谥С袎毫ι邊^(qū)，支承壓力升高區(qū)的范圍隨開采長度加大而增大。開切眼至工作面間的煤層頂?shù)装逄幱跍p壓區(qū)，由于煤層傾角較大，減壓區(qū)在水平方向上范圍較小。工作面頂板巖體支承壓力，隨煤層開采時頂板冒落范圍增大而降低。

(2)能量分布規(guī)律

工作面上覆巖體的破壞。在巖體變形逐漸積累的條件下，突然出現(xiàn)較大范圍的受拉破壞，之后又趨于相對穩(wěn)定。這說明急傾斜煤層開采過程中，隨著工作面的推進(jìn)，老頂會產(chǎn)生初次來壓；但周期來壓時，來壓步距和影響范圍較小，礦壓顯現(xiàn)不明顯。

[1] 謝東海，馮濤，趙伏軍.我國急傾斜煤層開采的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 科技信息，2007，(14):211-213.

[2] 伍永平，員東風(fēng)，張淼豐.大傾角煤層綜采基本問題研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2000,25(5)：465-468.

[3] 方伯成.大傾角工作面礦壓顯現(xiàn)分析[J].礦山壓力與頂板管理，1995,12(3/4)：26-30.

[4] 唐春安，趙文.巖石破裂全過程分析軟件系統(tǒng)RFPA2D[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1997,16(5)：507-508.