12081工作面煤巖體力學參數的選取及UDEC數值模擬分析

摘 要：由于12081采場圍巖運移的復雜性，現場實測的數據反映的只是某一方面或者幾方面的規律，對頂板活動難以有一個全面了解。研究方法采用相似模擬只能在部分方面取得較好的成果，但是會消耗較高成本。實驗周期經較長，并且一次只能模擬一種狀態。近年來，采用數值模擬方法能得到相似模擬所達不到的效果。

關鍵詞：煤巖體 力學 參數 模擬 分析

中圖分類號：TD313 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（c）-0245-02

由于12081采場圍巖運移的復雜性，現場實測的數據只能反映某一些方面或某幾方面的規律，難能對頂板活動有一個全面的了解。采用相似模擬的研究方法，雖然在某些方面能取得很好的效果，但是，模擬的成本高，實驗周期經較長，并且一次只能模擬一種狀態。近年來，采用數值模擬方法能得到相似模擬所達不到的效果。本次采用UDEC數值模擬方法，研究不同初撐力條件下，上覆巖層的穩定性。

1 煤巖體力學參數的選取

1.1 煤巖體力學參數的選取

關于巖體參數的參考值，其材料特性滿足庫侖—摩爾準則。確定模型材料參數如表1所示。

1.2 節理和角點圓弧化

可以將巖石塊體之間的接觸面認為是節理。根據不同的粗糙程度，個別的接觸點構成接觸面系，通常兩個端點的接觸可以代表，端點會在運動的時候發生相對的法向位移和切向位移。

塊體不僅會有面接觸還有點接觸，不管是點還是面的接觸，都會有數學上的奇異性，點接觸會引起計算上的應力集中，但是實際情況是，尖角在力的作用下被折斷鈍化，因此還要將圓弧化處理加入到角點的計算中。

圓弧化處理角點之后，可以將圓弧的中心道邊的垂線和邊的交點作為邊和角的接觸點，節點的發現方向也就是垂線方向。兩個焦點的接觸點可以取兩個圓弧中心的聯機和圓弧交線的交叉點。經過圓弧化處理的角點增加了計算的時間，但是角點接觸的奇異性被消除，這樣的計算和實際接觸點的物理圖像更加符合。本次模擬時round取值0.2。

1.3 剛度系數

在UDEC中節理的法向和切向剛度系數kn和ks的正確選取是至關重要的。如果剛度系數取得太大，剛體塊將連接成為一個整體，無相對運動可言；如果取得太小了，則剛體塊將成為一盤散沙，相互間沒有約束。作為一個經驗的規則，剛度系數最大可取為剛度最大的鄰接塊體之間的等值剛度的十倍，即有：

式中：K為體積模量；

G為剪切模量；

△Zmin為節理兩側塊體單元的最小寬度。

如果取用太大的剛度系數，會將大幅增加計算時間，卻不會改變物理圖像。但是如果取用太小的剛度系數，時步會被增大，加快計算速度，但是節理“過軟”，塊體間“嵌入”太多，與實際情況不符。

剛度系數對于不同的巖石其變化是很大的。對于軟弱粘土夾層可為10～100 MPa/m。而對于花崗巖或玄武巖等的致密節理，則剛度系數甚至可以超過100 GPa/m。

UDEC中的剛度系數不同于一般彈性體的剛度系數，它僅僅作為單元間傳遞力的因子。剛度系數應取足夠大，以使計算結果趨于穩定值。同時考慮到計算費用的經濟性，在滿足精度和穩定收斂要求的前提下，宜盡量減小塊體剛度，剛度系數一般取1010～1011 n/m較為適宜。計算中剛度系數取值1010。

2 UDEC數值模擬

2.1 低初撐力狀態模擬

根據實測單體支柱平均支護力為13.8 kN，采用UDEC進行了數值模擬，按單體支柱平均支護力為90 kN，采用UDEC進行了數值模擬。

2.2 UDEC模擬結果分析

從模擬結果可以得出，低支護力狀態下，頂板離層，平衡結構形成的層位相對較低，當地質條件發生變化時，遇斷層或特殊地質結構巖體時，容易出現頂板事故。高支護力狀態下，平衡結構的層位相對較高，對工作面的影響也較小，工作面變形量也較小，工作環境大大改善。

采場圍巖運移是一個動態的過程，動態過程有兩層內容，一是隨著時間變化的動態過程；二是隨支護力不同而變化的動態過程。如圖1所示為低支護載荷條件下圍巖運移狀態，支護頂板距平衡結構8～12 m，平衡結構對采場的影響較大，由于支護力過小，頂板易發生離層，支護狀態差。如圖2為合理支護條件下圍巖運移狀態，平衡結構下方巖層厚度為15～19 m，距離支柱較遠，支柱上方頂板發生離層的可能性較小，采場處于安全狀態下。

2.3 FLAC數值模擬結果分析

從FLAC數值模擬可以看出，工作面的支護初撐力大小對工作面圍巖應力分布有十分顯著的影響。低載荷，應力峰值和高應力范圍均顯著增大，而導致頂板剪應力區顯著擴大。而高載時，頂板剪應力僅在煤壁上方很小的范圍出現峰值。

剪應力從煤壁附近向控頂區上方頂板的擴展是導致頂板破碎的主要原因，而頂板破碎范圍與支架載荷有關。

隨支護載荷的增加，煤壁前方的支撐壓力明顯減少。煤壁前方頂板應力減少。由于支架載荷較低，煤壁前方垂直應力增加，控頂區上方剪應力集中程度增加，范圍增大。

控頂區上方的頂板鉛垂應力隨支架載荷的增加明顯改善。支護載荷的增加，導致和圍巖應力降低，從而改善圍巖控制，避免頂板破碎。

隨著支護載荷的加大，位移矢量也有所改變。位移矢量由低載垂直位移變為高載的水平位移。即控頂區圍巖的穩定性有所增強。

在主應力圖中低載時，應力矢量比較紊亂，很不規則。而高載時，主應力矢量在煤壁上方的頂板巖層，指向煤壁前方，顯示了煤壁前方的應力集中效應和壓力拱效應。

綜上所述，選擇合理的支護載荷（即高載荷）對工作面的圍巖控制是非常重要而且有利的（如圖3～4）。