巨厚礫巖層工作面覆巖移動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬研究

姜海強(qiáng),李 猛,吳曉剛,杜 杰,房 蕭

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

煤層頂板巖層的特性，特別是巨厚堅(jiān)硬頂板是誘發(fā)煤礦沖擊礦壓的重要影響因素之一。隨著上覆巖層懸頂長(zhǎng)度的增大，巨厚頂板巖層中聚積的能量變大，當(dāng)頂板發(fā)生破斷和滑移失穩(wěn)時(shí)，巨厚頂板聚積的大量能量瞬間釋放，從而誘發(fā)頂板型沖擊礦壓。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巨厚礫巖層的研究較少，主要集中在沖擊礦壓、地表沉陷等方面，鮮有對(duì)上覆巨厚礫巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和破壞形式等方面的研究。史紅、姜福興等利用兩端嵌固梁力學(xué)模型，對(duì)厚層堅(jiān)硬頂板的破斷規(guī)律進(jìn)行了分析，根據(jù)巖層中的應(yīng)力場(chǎng)分布，提出了大厚度堅(jiān)硬巖層的3種破壞方式的力學(xué)判斷。王金安等運(yùn)用彈性基礎(chǔ)厚板理論，研究巨厚巖漿巖下煤層不同開(kāi)采階段對(duì)上覆巖層的影響，以及巖漿巖變形規(guī)律與破壞形式。軒大洋、許家林等采用離散元計(jì)算方法，研究了巨厚火成巖下開(kāi)采時(shí)的采動(dòng)應(yīng)力演化規(guī)律，從采動(dòng)應(yīng)力影響范圍的角度，解釋了煤與瓦斯突出災(zāi)害的原因。

本文結(jié)合義馬礦區(qū)千秋煤礦21141實(shí)際工程地質(zhì)條件，利用UDEC數(shù)值模擬軟件，建立了采動(dòng)影響下覆巖運(yùn)動(dòng)變化的數(shù)值模型，得到了覆巖的位移變化、塑性區(qū)分布和應(yīng)力分布規(guī)律。

1 采礦地質(zhì)條件

千秋煤礦21141工作面位于礦井西部二水平21采區(qū)下山西翼。地面標(biāo)高590.1～617.5m，工作面標(biāo)高為-38.1～-84.7m，平均采深638m。工作面可采走向長(zhǎng)度1298m，傾斜長(zhǎng)度130m，傾角10° ～14°， 煤層平均厚度為20m。

直接頂為深灰色泥巖，厚度23～27m，平均25m。基本頂巖性為礫巖，厚度平均407m。煤層底板巖性復(fù)雜，自上而下由礫巖、砂巖、粉砂巖、泥巖以及含礫相土巖組成，厚度0.3～6.7m，平均6.7m。

2 模擬軟件的選取及模型的建立

2.1 數(shù)值模擬軟件的選取

本文的數(shù)值模擬軟件采用二維離散元分析軟件UDEC，該軟件能夠很好地模擬巖體的復(fù)雜力學(xué)和結(jié)構(gòu)特性。離散的巖塊允許大變形，允許沿節(jié)理面滑動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和脫離冒落；在計(jì)算過(guò)程中，能夠自動(dòng)識(shí)別新的接觸。單個(gè)塊體可以是剛體或者是可變形的，接觸是可變形的。節(jié)理的相對(duì)運(yùn)動(dòng)遵循法向或切向的線性或非線性運(yùn)動(dòng)關(guān)系。結(jié)合CAD軟件，可以形象直觀地反映巖體運(yùn)動(dòng)變化的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、速度場(chǎng)等各力學(xué)參量的變化。

2.2 數(shù)值模型的建立

根據(jù) 21141工作面的采礦地質(zhì)條件，建立了與工作面實(shí)際情況基本相同的數(shù)值計(jì)算模型。由于本文研究上覆巨厚礫巖層對(duì)工作面回采的影響，模型沒(méi)有簡(jiǎn)化，模型上邊界為地表，數(shù)值模型的左右邊界不小于一個(gè)完整工作面的開(kāi)采及影響范圍，大小為1380m×700m。建立的數(shù)值模型見(jiàn)圖1。

圖1 巨厚礫巖層工作面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律數(shù)值模型

2.3 模型的開(kāi)挖步驟

模擬煤層從左到右開(kāi)挖，開(kāi)挖步距為10m，模型左右邊界為位移約束ux=0；下邊界也為位移邊界uy=0。模擬巖層的參數(shù)采用巖石真實(shí)的力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 千秋煤礦巖性及力學(xué)性能

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 工作面推進(jìn)不同距離覆巖位移變化規(guī)律

當(dāng)21141工作面進(jìn)行分步開(kāi)采時(shí)，不同開(kāi)采階段上覆巖層的位移及垮落情況不同，如圖2所示。

圖2 工作面推進(jìn)不同距離巖層垮落形態(tài)

由圖2可知，當(dāng)工作面剛開(kāi)始推進(jìn)時(shí)，上覆巖層只出現(xiàn)了一些彎曲，并未有巖石垮落。當(dāng)工作面推進(jìn)40m距離時(shí)，此時(shí)直接頂發(fā)生初次垮落，垮落值為0～5m，覆巖繼續(xù)彎曲變形。當(dāng)工作面推進(jìn)60m距離時(shí)，此時(shí)基本頂初次來(lái)壓，隨著工作面的推進(jìn)，工作面周期來(lái)壓步距為50m左右。巖層垮落明顯，垮落值達(dá)到了16m。并且上覆巖層呈現(xiàn)出較大的彎曲變形，巖層之間離層明顯。當(dāng)工作面推進(jìn)150m時(shí)，由于開(kāi)采距離加大，上覆巖層出現(xiàn)明顯的彎曲下沉，礫巖層堅(jiān)硬不垮，其下面巖層垮落面積較大，垮落的巖石充滿(mǎn)了采空區(qū)。當(dāng)工作面推進(jìn)310m時(shí)，采空區(qū)被垮落的巖石充滿(mǎn)。礫巖層以下的巖層發(fā)生大面積旋轉(zhuǎn)下沉，在細(xì)砂巖和巨厚礫巖層之間出現(xiàn)了明顯的離層，巨厚礫巖層懸空不垮落。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，巨厚礫巖層開(kāi)始自下而上逐層垮落。當(dāng)垮落巖石充滿(mǎn)離層空間時(shí)，礫巖層不再發(fā)生垮落。

3.2 21141工作面推進(jìn)不同距離覆巖的塑性變化規(guī)律

圖3為工作面推進(jìn)不同距離覆巖塑性區(qū)發(fā)展形態(tài)。工作面推進(jìn)60m時(shí)，工作面頂板大部分區(qū)域發(fā)生屈服，形成屈服區(qū)和塑性區(qū)。小部分區(qū)域發(fā)生拉伸破壞。頂板與巨厚礫巖層之間的巖層，受采動(dòng)影響較小，塑性區(qū)發(fā)展緩慢。上方的巨厚礫巖層，由于自身的剛度較大，所以其沒(méi)有發(fā)生明顯變形。

圖3 工作面推進(jìn)不同距離覆巖塑性區(qū)發(fā)展形態(tài)

工作面推進(jìn)到100m后，覆巖塑性區(qū)發(fā)育面積加大，頂板與覆巖發(fā)生彎曲下沉并且?guī)r層底部出現(xiàn)了屈服。工作面前后方的煤體區(qū)域受采動(dòng)影響后，屈服體積更大，影響范圍更加廣泛。

工作面推進(jìn)到200m后，工作面前方的巖層幾乎都發(fā)生了塑性變形，上方的巖層之間有屈服變形和塑性變形產(chǎn)生，左側(cè)的巖層彎曲下沉強(qiáng)烈，巖層底部塑性屈服區(qū)域已經(jīng)發(fā)生破壞。

3.3 工作面推進(jìn)不同距離時(shí)覆巖的應(yīng)力變化規(guī)律

21141工作面回采過(guò)程中應(yīng)力變化規(guī)律，如圖4所示。

圖4 工作面推進(jìn)不同距離應(yīng)力情況

圖4(a)是工作面分別推進(jìn)60m、300m和550m時(shí)的應(yīng)力變化情況。從圖4中可以看出，隨著開(kāi)采空間的變大，工作面最大支承應(yīng)力值也不斷變大，煤壁兩端的支撐應(yīng)力在25～30MPa之間，采空區(qū)應(yīng)力降低到15MPa以下。當(dāng)工作面推進(jìn)310m后，巨厚礫巖層不再懸空，開(kāi)始觸底穩(wěn)定，采空區(qū)應(yīng)力得以恢復(fù)。

圖4(b)是工作面分別推進(jìn)800m、1050m、1300m時(shí)的應(yīng)力變化情況。從圖4中可以看出，隨著推進(jìn)距離的加大，采空區(qū)垮落的巖石逐漸被上方下沉的巖層壓實(shí)，巖層受到支撐應(yīng)力增大，最大值達(dá)到28MPa。工作面前方的超前支撐應(yīng)力也隨之前移，并且每次推進(jìn)應(yīng)力均有升高，其值最終超過(guò)30MPa。

4 結(jié)論

本文主要研究了21141工作面在回采過(guò)程中，不同的推進(jìn)階段覆巖位移變化、塑性區(qū)分布以及應(yīng)力變化規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1) 隨著開(kāi)采空間沿走向方向的逐步推進(jìn)擴(kuò)大，煤層上覆巖層自下而上形成垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶。巨厚礫巖作為關(guān)鍵層，位于彎曲下沉帶中并與下方巖層間產(chǎn)生離層。

2) 工作面推進(jìn)40m時(shí)，直接頂垮落，頂板大部分區(qū)域出現(xiàn)屈服，巨厚礫巖層剛度較大，沒(méi)有出現(xiàn)變形；工作面推進(jìn)60m時(shí)，基本頂發(fā)生初次來(lái)壓，采空區(qū)上方巖層屈服區(qū)發(fā)育明顯；當(dāng)推進(jìn)距離達(dá)到150m時(shí)，上覆巖層總體均發(fā)生屈服，巨厚礫巖層與下方的巖層離層加大。

3) 工作面推進(jìn)初期，工作面頂板大部分區(qū)域發(fā)生屈服，頂板與巨厚礫巖層之間的巖層受采動(dòng)影響較小。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，覆巖塑性區(qū)發(fā)育面積加大，頂板與覆巖發(fā)生彎曲下沉并且?guī)r層底部出現(xiàn)了屈服。工作面推進(jìn)到200m后，工作面前方、左側(cè)和上方的巖層，幾乎都發(fā)生了塑性變形，巖層底部塑性屈服區(qū)域已經(jīng)發(fā)生破壞。

4) 隨著開(kāi)采空間的變大，工作面最大支承應(yīng)力值也不斷變大，煤壁兩端的支撐應(yīng)力在25～30MPa之間，采空區(qū)應(yīng)力降低到15MPa以下。當(dāng)工作面推進(jìn)310m后，巨厚礫巖層不再懸空，開(kāi)始觸底穩(wěn)定，采空區(qū)應(yīng)力得以恢復(fù)。

[1]浦海,繆協(xié)興.綜放采場(chǎng)覆巖冒落與圍巖支承壓力動(dòng)態(tài)分布規(guī)律的數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004(7):1122-1126.

[2]房蕭,巨峰，何琪，等.千秋礦綜放面巨厚懸空礫巖層采動(dòng)應(yīng)力分布特征數(shù)值模擬研究[J].中國(guó)煤炭,2011(11):44-47.

[3]譚輔清,昝東峰,周楠,等.巨厚礫巖層下工作面過(guò)斷層覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究及應(yīng)用[J].中國(guó)煤炭,2011(9):48-51.

[4]張文彬.采煤工作面推進(jìn)過(guò)程中采場(chǎng)圍巖的應(yīng)力分布[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),1987(2):165-174.

[5]任永康.千秋礦放頂煤采場(chǎng)上覆巖層移動(dòng)及礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[D].焦作:河南理工大學(xué),2011.

[6]姜永東,鮮學(xué)福,李曉紅，等.采場(chǎng)上覆巖層塑性斷裂區(qū)域和移動(dòng)規(guī)律研究[J].中國(guó)礦業(yè),2009,18(3),68-76.

[7]徐學(xué)鋒,竇林名,劉軍,等.巨厚礫巖對(duì)圍巖應(yīng)力分布及沖擊礦壓影響的“O”型圈效應(yīng)[J].煤礦安全,2011(7):157-160.

[8]南華,李志勇.巨厚煤層沖擊地壓的防治研究[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007(4):370-376.

[9]宋振駭.采場(chǎng)上覆巖層運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律[J].山東礦院學(xué)報(bào),1979(1):22-41.