基于RFPA—Strata的吳四圪堵礦巖層移動數(shù)值模擬

劉俊萍

摘 要：利用RFPA-Strata巖石移動分析系統(tǒng)軟件分析吳四圪堵礦綜放工作面開采過程中煤巖層移動和頂煤垮落規(guī)律，通過RFPA軟件數(shù)值模擬反演出該礦的頂煤冒落情況，歸納出了頂板煤層垮落規(guī)律，對煤礦的安全開采提供了重要的保證。

關(guān)鍵詞：巖層移動；數(shù)值模擬；垮落規(guī)律

1 引言

吳四圪堵煤礦是一座年產(chǎn)240萬噸的大型現(xiàn)代化礦井，可采煤層為6#煤層，平均埋深在270m左右，煤層為松軟煤層，層理、節(jié)理裂隙發(fā)育。頂板泥巖巖層強(qiáng)度較低，上部煤層冒落后，泥巖層隨之冒落；為了提高礦井的現(xiàn)代化水平，結(jié)合區(qū)域內(nèi)煤層覆存特點，吳四圪堵煤礦采用綜采放頂煤的回采工藝。由于該礦對其工作面開采過程中的圍巖移動規(guī)律不是很了解，因此，從數(shù)值模擬的角度，運(yùn)用RFPA-Strata探索其特有地質(zhì)條件下綜放首采工作面巖層移動和頂煤垮落規(guī)律為保證工作面高效安全生產(chǎn)具有重要現(xiàn)實的意義。

2 巖石移動過程分析RFPA-Strata系統(tǒng)簡介

RFPA-Strata主要是面向巖土工程應(yīng)用分析，可針對地下工程誘發(fā)的地表沉陷、巖層移動、巷道破壞、頂板冒落等工程災(zāi)害展開應(yīng)力場、位移場及聲發(fā)射模式（微震）的實時監(jiān)測。[1]RFPA-Strata分析問題的流程如圖1所示：

圖1 RFPA-Strata分析問題的流程[2]

3 數(shù)值模擬方案設(shè)計

3.1 模擬條件

根據(jù)吳四圪堵礦煤層的賦存條件建立基本數(shù)值模型，設(shè)定有關(guān)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。數(shù)值模型采用平面應(yīng)變分析，盡量減小邊界情況的影響，模型尺寸水平方向設(shè)為100m，垂直方向50m，劃分有限元單元數(shù)為：200×100個單元，模型與實體的比例為1：1000。本模型共分5層不同性質(zhì)的巖層對吳四圪堵礦巖層移動及頂煤垮落規(guī)律進(jìn)行模擬。巖層模型參數(shù)如表1所示。

表1 巖層模型參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬計算

利用RFPA-Strata中的分步開挖功能，開挖步距為5m，開挖10步，共開挖50m，割煤高度3m，深度4.8m，相當(dāng)于實際工作面1天的推進(jìn)度。數(shù)值模型建立之后，在計算前對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、參數(shù)賦值、邊界條件和控制條件設(shè)置，然后進(jìn)行開挖工作。每開挖一步，表示在工作面采一次煤，模型開挖就是模擬采煤的過程。數(shù)值模型如圖2所示。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果

當(dāng)煤層從開切眼開采后，煤層頂板隨工作面不斷向前推進(jìn)，處于開切眼上方煤巖體開始破裂并逐漸向上延伸，如圖3模擬頂煤垮落規(guī)律示意圖。

圖3 模擬頂煤垮落規(guī)律示意圖

4 結(jié)束語

（1）利用RFPA對巖石移動及頂煤垮落規(guī)律進(jìn)行數(shù)值試驗，分析頂板變形破壞，具有較強(qiáng)的通用性、方便靈活等特點，為煤礦的安全生產(chǎn)提供重要的依據(jù)。

（2）在模擬過程中，當(dāng)工作面推進(jìn)19.2m時，頂煤開始破裂并逐漸向上延伸，當(dāng)工作面推進(jìn)24m頂煤出現(xiàn)初次垮落，垮落高度4m。

（3）當(dāng)工作面推進(jìn)28.8m時，采空區(qū)頂煤大面積垮落，垮落高度7～9m，9m厚煤層基本全部垮落，工作面后方頂煤隨采隨冒，冒高5m，煤層垮落角度開切眼側(cè)47°，工作面煤壁側(cè)45°。

參考文獻(xiàn)

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

[2]唐春安，王述紅，傅宇方.巖石破裂過程數(shù)值試臉[M].北京：科學(xué)出版社，2003.