基于FLAC3D的煤層開采覆巖破壞特征研究

劉延利 劉啟蒙 張周鑫

(安徽理工大學 地球與環境學院，安徽 淮南 232001)

0 引言

煤礦生產中煤層開采引起的上覆巖體變形破壞問題一直是與瓦斯、水害并列為三大主要問題，在我國各生產科研單位都對其進行專題研究并取得了很大的進展[1]，目前確定“兩帶”形態特征的方法主要有經驗公式、物理模擬、現場測試以及數值模擬方法[2]，常規方法局限頗多；近些年發展起來的數值模擬技術被很好的應用到這一領域中[3]。本文運用有限差分軟件FLAC3D模擬7131工作面煤層開采中上覆巖體變形破壞特征，實測數據表明此法在該例“兩帶”預測中效果良好。

1 工程概況

祁東煤礦一水平三采區7131工作面作為模擬對象，地面標高為+21m，工作面標高-393.8m～-471.7m；走向長1630m，傾斜長160m；煤層結構較簡單平均厚3.0m，產狀變化不大；傾角平均為12.5°。礦井范圍內為一單斜構造，采用頂板全部垮落法機械化綜采。煤層頂板為復合型頂板，直接頂板為深灰色泥巖或細砂巖，厚度不穩定。老頂為為淺灰色砂巖平均厚16m。其上泥巖類巖層平均厚約20m。粉砂巖平均厚12m。煤層底板為細粉砂巖。頂底板局部裂隙發育，富水性弱。

2 FLAC3D數值模擬

本次模擬通過有限差分計算模型建立與運行，命令流導出相關特性值圖像，直觀反映71煤層開采過程中上覆巖體移動、變形、破壞等特征。

2.1 模型的建立

地質模型的建立遵循綜合全面因素、簡化又反映實際，尺寸適合的原則。根據工作面特征，模型設計規格為200(X)*100(Y)*80(Z)，開采煤層厚度3.0m，埋深擬定為400m，煤層底板預留深度15m，上覆巖層62m，近水平模擬。模型如圖1。

2.2 模型初始與邊界

為盡可能的真實體現地下空間開挖情況，更好地進行受力特性模擬和塑性流動分析，需人為封閉單元體，定義左右邊界為單約束邊界，取u=0，v≠0(u為X方向位移，v為Y方向位移)；底部邊界為全約束邊界，取u=v=0；頂部為自由邊界。

頂端施加等效荷載，即自重應力σz=γ·H式中，γ為上覆巖層重力密度取25kN/m3；H為模型頂界距地表的深度，本例中H為400，在水平方向上施加由自重力產生的側向應力σx=λ·σy式中，λ為側壓系數，由 λ=μ/(1-μ)確定，μ 為泊松比，取值 0.3。

表1 巖體力學參數

2.3 本構模型與力學參數選取

本次研究確定煤系巖體的本構模型選取較為實用的莫爾-庫侖塑性模型，判別準則采用莫爾-庫侖屈服準則描述。模型中各煤巖層的力學參數實驗室測定，見表1。

在未進行煤層開挖之前賦予全部屬性，得到初始地應力平衡狀態，反映原始地層未受擾動影響條件下原位應力分布情況，見圖2所示顯現了 σXX、σYY、σZZ三向主應力均值分布。

圖1 模擬模型圖

圖2 初始應力平衡圖

2.4 模擬計算結果與分析

本次計算開挖設計開挖步距為20m，共開挖5步計100m，沿模型走向開挖兩端各預留50m作為保護煤巖柱，兩側煤巖幫各預設35m。

選取開挖40m和100m步長為典型代表，分別從塑性破壞、應力分布、位移變化三個方面來分析說明覆巖破壞隨空間和時間變化的動態過程。

2.4.1 塑性破壞區模擬結果分析

隨著工作面回采，煤層頂板相繼出現不同程度的破壞，由下而上依次發育拉伸破壞和拉伸裂隙區可用于判斷垮落帶、裂隙帶的發育高度。圖3為工作面沿走向推進的覆巖塑性破壞場模擬結果。頂板破壞類型以剪切與拉伸破壞為主，在煤壁前方和工作面后方塑性破壞形成典型的“馬鞍”型破壞特征；開挖到100m時圖中顯示出了5個步距時段塑性破壞區域的特征，對應著“兩帶”分布區域特征。

圖3 塑性破壞圖

2.4.2 應力場模擬分析

圖4為工作面推進時的垂直應力場模擬結果。在煤壁的前方和工作面后方產生一定的應力集中的“凸”型應力帶。隨著工作面推進采空區被填充壓實，前方形成超前移動的支撐壓力，在每一步開挖中都形成一個類似于“步距”的應力帶，至開挖到100m終止圖中記錄了5個填充步距的應力分布特征。大致可分為未受采動影響區、受采動影響區和受采動影響劇烈區。

圖4 垂向應力分布圖

2.4.3 位移場模擬分析

圖5所示為位移變化量級分布圖，從圖中清楚地看出，頂板巖體隨采位移變化特征，位移最大變化量始終在采空區正上方，兩幫形成了對上支撐致使側幫變形較小；隨開挖推進而依次向前發展，采空區前方巖體的下沉梯度較后方大，形成非對稱性分布隨工作面推進距離而增加，而后方經壓實使得下沉量逐漸趨于一致。總體上頂板位移變化呈現出移動拱形的特征。

圖5 頂板巖體位移變化量級圖

3 結論

通過數值模擬與分析，結合塑性破壞圖與位移變化圖，煤層開采上覆巖體塑性破壞總體上表現為“馬鞍”型特征，應力的重分布為兩端集中分布中間較小的類似拱形特征，位移場的變化體現出階段性特征，每一步推進都表現為前方下沉較大于后方的不對稱型分布。確定了7131工作面“兩帶”高度值為37.5～39m，基本與現場實測數值基本相符。在資料真實準確的情況下，數值模擬方法是可靠的。

［1］李增學，等.礦井地質學[M].北京∶煤炭工業出版社，2009.

［2］偉韜，武強，李獻忠，等.覆巖裂縫帶發育高度的實測與數值仿真方法研究[J].煤炭工程，2005，51(11)∶55-57.

［3］朱建明，徐秉業，朱峰，任天貴.FLAC有限差分程序及其在礦山工程中的應用[J].中國礦業，2000，9(4)∶78-81.