采動引起的地表危巖穩定性數值模擬研究

2015-12-19 08:39:22廖鑄敏

西部探礦工程 2015年12期

廖鑄敏,楊慶

（1.貴州省地質調查院，貴州貴陽550018；2.貴州省貴陽市修文縣國土資源局，貴州貴陽550200）

采動引起的地表危巖穩定性數值模擬研究

廖鑄敏*1,楊慶2

（1.貴州省地質調查院，貴州貴陽550018；2.貴州省貴陽市修文縣國土資源局，貴州貴陽550200）

針對貴州耳海煤礦地表危巖可能對其下部井筒及工業場地帶來安全隱患，通過Phase2數值模擬對采動引起的地表危巖穩定性進行研究。根據第一強度準則和M-C準則對危巖應力進行定量分析，推導出安全的開采范圍，利用房柱法開采剩下的部分資源，再對危巖的穩定性進行應力分析，確定出未開采部分和開采部分的寬度，進而在安全的前提下盡可能的將煤采出，為礦山的開采提供理論依據和參考。

地表危巖;Phase2;房柱法;危巖穩定性

1 工程慨況

耳海煤礦西南部有一危巖，其下方是井筒和工業場地所在地，如圖1所示，采動引起的地表危巖若失穩將嚴重的威脅到工業場地的正常運轉和安全，應該對采動引起的地表危巖穩定性進行研究。若為保護井筒及工業場地，按照正常開采，C8、C10、C12煤層在圖1中從右往左應該推進多大的開采范圍；同時危巖下部若不開采，則將導致大量煤炭資源無法采出，造成極大的浪費，為盡可能的采出煤炭，將以何種方式進行開采。針對上述問題，本論文研究目的是盡可能開采出危巖下部煤炭，找出影響煤礦地表危巖穩定性的主要因素，研究出控制地表危巖穩定的方法，避免開采引起的地表危巖地質災害影響井筒及工業場地的正常運轉及造成資源的浪費。

圖1 工業場地及危巖地形情況圖

2 數值模型的建立

根據現場地質資料，所取模型主要計算參數如表1所示。

根據圖1建立數值模型，長、高分別為2947m、880m，模型劃分21572個單元體網格，節點數10963個。模型計算采用mohr-coulomb準則，巖層材料的應力應變均在彈塑性范圍內變化,模型底部及兩邊設為固定約束邊界,上部為自由邊界[1-3]，僅考慮自重應力產生的初始應力場，所建模型如圖2所示。

3 數值模擬結果及分析

3.1 地表危巖的破壞模式分析

根據耳海煤礦剖面的數值模擬結果，本論文從應力情況方面來對采動引起的地表危巖穩定性進行分析研究。

根據第一強度準則[5]，巖體發生拉壓破裂時許用應力計算公式為：

表1 模型主要計算參數

圖2 有限元計算模型

式中：σu——材料的極限正應力，MPa;

n——安全因數。

由式（1）可求出各種材料許用應力[σ]，見表2。

表2 材料的許用應力值[σ]（MPa）

根據摩爾-庫倫準則[5],巖體發生剪切破裂(或處于極限平衡)時最大主應力取值上限計算公式為:

式中：c——粘聚力，MPa；

φ——內摩擦角,（°）；

σ3——最小主應力，MPa。

由式（2）及表1可求出各種材料最大主應力的上限值σ1f，見表3。

表3 最大主應力的取值上限

3.2 煤層進行開采模擬結果分析

（1）開采范圍的確定及一定開采范圍下危巖的應力分布情況：通過Phase2進行數值模擬,改變開采范圍與相應開采范圍下主應力曲線中的最大值得到如圖3所示的模擬結果。

圖3 隨著開采推進應力變化過程圖

圖3中其最左端自上往下第一條曲線為發生剪切破壞的極限應力σ1f；第二條是許用應力[σ]；第三條曲線、第四條曲線、最下面一條曲線分別為C8、C10、C12、C8、C10、C8煤層開采時穩定性較差區域的最大σ1隨開采范圍的變化情況，記為σ1，c8,c10,c12、σ1，c8,c10、σ1，c8。圖中可以看出，在相同的開采范圍下，煤層開采數越多，對地表穩定性較差區域應力的影響越大，故采動對地表危巖的穩定性影響就越顯著；隨著開采范圍的增大，其最大主應力σ1也隨著增大，當增大到一定程度時其σ1=[σ]，此時σ1遠遠小于σ1f，即危巖若失穩，首先是拉壓破壞引起，此時還不會發生剪切破壞。當繼續推進σ1＞[σ],則會發生拉壓破壞，這對危巖穩定性的控制是極為不利的，故在開采推進到臨界點σ1=[σ]時停采或者換種方法進行繼續開采。考慮到本論文中研究煤層均要開采，故其推進至臨界點1854.56m（759.44m未開采）時停采或換種方法進行開采，如圖3所示。其圖3臨界點數值模擬主應力云圖如圖4所示。

圖4 主應力圖

由圖4可知，煤壁附近礦壓顯現比較突出，出現應力集中現象，而在采動的影響下，其應力會不斷地向外擴展，進而擴展到地面。本文選擇B-C區域進行研究分析，此部分危巖的穩定性嚴重的影響到井筒及工業場地的安全。在采動的影響下，應力不斷地向B-C區域靠近，致使應力不斷向危巖擴展，當危巖的最大主應力σ1達到許用應力[σ]或巖體剪切破壞的極限應力σ1f時則危巖的穩定性較差，存在安全隱患，所以煤層開采過程中煤層開采范圍和地表危巖應力均應不超過如圖3所示臨界點，從而使采動引起的地表危巖穩定性得到較好的控制。

圖5 開采至1854.46m改用房柱法開采應力分布圖

（2）房柱法繼續進行開采：如圖5所示，圖最右側為開采范圍為1854.46m（759.44m未開采）時的煤壁，應力集中情況如圖所示。在煤壁左側采用留一段煤層不開采，然后在不開采煤層左側進行開采一段煤層，采用房柱法開采對引起的B-C地表危巖穩定性的應力進行分析研究。

通過改變未開采部分所留尺寸，開采部分寬度控制在150m。其模擬結果如圖6所示。未開采部分寬度小到一定程度時，危巖不僅會發生拉壓破壞，而且還會發生剪切破壞，隨著未開采部分寬度的增加，應力逐漸減少，當所留寬度為209.30m時σ1=[σ]，未開采部分所留尺寸不能過小，過小出現σ1＞[σ]，這對危巖的穩定性明顯不利的。過大會對資源造成浪費。所以選擇所留寬度為209.30m，如圖6所示，209.30m及49.84m是未開采部分寬度，150m為開采部分寬度。