顆粒流軟件在深部開采"三帶"界定中的應用

■　王軍

（安徽建筑大學土木工程學院安徽合肥230022）

顆粒流軟件在深部開采"三帶"界定中的應用

■王軍

（安徽建筑大學土木工程學院安徽合肥230022）

深部礦業開采中頂板"三帶"范圍的確定，對采空區抽排瓦斯及布置防水煤柱具有重要的意義。運用顆粒流軟件從機理上確定頂板"三帶"的產生原因。并確定"三帶"范圍的界定方法：即將初始垮落的范圍劃分為冒落帶；壓力拱至初始垮落之間的范圍劃分裂隙帶；壓力拱之上的范圍劃分為彎曲下沉帶。模擬得到的結果與實地鉆孔勘測數據十分吻合。表明顆粒流軟件及判定準則合理反映"三帶"范圍。

顆粒流頂板三帶

0　引言

礦業開采深度逐年深化，淺部開采的“三帶”經驗公式越來越難以指導工程實際的工作[1]。不正確的“三帶”范圍，不能指導礦區合理布置工作面頂板高抽巷和防水煤柱[2]。導致瓦斯的抽放效果不佳及頂板透水事故的發生[3]。嚴重影響礦業產量和生產安全。因此通過顆粒流數值模擬和現場實地勘測[4]，確定深部頂板“三帶”的合理范圍有其重要的意義。

1　深部“三帶”界定方法

在礦山崩落開采過程中，隨著開采向前推進，后方留下采空區[5]。采空區上方覆巖應力重分布。覆巖發生應力集中并剪切破壞和張拉破壞，隨后發生小范圍覆巖巖層冒落，形成冒落帶；而頂上的覆巖形成壓力拱，并保持穩定的下沉，形成彎曲下沉帶；在這兩帶之間的覆巖受到下沉巖體剪切力作用而產生裂隙，形成裂隙帶。

2　PFC顆粒流軟件建模

通過PFC2D建立深部開采模型，設置合適的邊界條件和粒子條件。通過視圖窗口得到所需的破碎圖和力鏈圖。結合其上的深部“三帶”界定方法。獲得模擬的深部“三帶”范圍。

二維建立模型。模型長300m，高200m。其中充填3400個半徑從0.8到2.0m隨機分布的顆粒。運用顆粒放大法得到開挖范圍內水平應力20MPa、垂直應力18MPa。滿足900m深井的模擬要求。模型開挖高度為4m、長度為150m的掏槽。

3　模擬的結果及分析

模型開采后開始應力重分布。整個過程可分為三個步驟：第一步，上覆巖層上部開始形成壓力拱，壓力拱兩側產生剪切破壞并和壓力拱之下受張拉破壞的巖層組成了冒落帶；第二步，當冒落帶冒落的同時，壓力拱及其上部巖層開始下沉。隨之帶來剪力的作用。從力鏈圖中可以看出顆粒間的正接觸力減少，變為更大的顆粒間剪切力。裂隙帶在剪力作用下開始發展；第三步，當冒落帶到底，對壓力拱的下沉巖層有支撐反力。裂隙帶的發展隨著冒落帶支撐作用的增加而停止。形成穩定的“三帶”范圍。各步對應的顆粒豎向位移云圖及接觸力鏈圖如下所示。

圖1　步一計算200步時顆粒豎向位移云圖及接觸力鏈圖

圖2　步二計算400步時顆粒豎向位移云圖及接觸力鏈圖

圖3　步三計算2000步時顆粒豎向位移云圖及接觸力鏈圖

最后的計算結果說明。深部礦區采空區上覆巖層冒落帶高度為22～24m，裂隙帶高度為42～46m。更上部的巖層為彎曲下沉帶。

4　工程實際檢驗

在淮南某礦900m深井進行工程檢驗。從采空區旁的巷道斜60度角向已經冒落穩定的上覆巖層打勘探鉆。并用YTJ2型巖層探測記錄儀記錄不同深度的鉆孔圖像。所得圖片如圖4所示。

圖4　各孔深攝像成像圖

由圖片可知，當鉆孔深度在18m、22m時都表現出大量大的破碎裂隙，而到26m后大的裂隙消失。出現的都是小的裂隙。可以推斷出冒落帶在22～26m之間。在34m、40m范圍內都有小的裂隙，而44m之后基本只有微裂隙。可以推斷裂隙帶高度在40～44m之間。

這與顆粒流軟件模擬得到的結果十分相似。說明采用顆粒流軟件模擬深部采空區“三帶”范圍可行，并且界定方法合理解釋了各帶的形成機理。

5　結論

（1）深部“三帶”范圍相比于淺部的范圍有了一定的變化。工程中不能套用淺部的經驗公式。應該通過現場勘測并結合數值模擬確定“三帶”范圍。

（2）冒落帶在開采后，兩端受剪切破壞、中間受自重的拉力破壞。形狀上表現出呈倒扣的碗狀，中間高兩邊低；裂隙帶受到彎曲下沉帶下沉產生的剪力作用而產生裂隙。形狀上表現為馬鞍形。

[1]高嶺,孫占海.高抽巷瓦斯抽采在新集二礦的應用[J].江西煤炭科技.2008,(2): 30-322008（,2）30-32.

[2]錢鳴高,繆協興.采場上覆巖結構的形態與受力分析[J].巖石力學與工程學報，1995(2):97-106.

[3]Cundall,P.A.“A Computer Model for Simulating Progressive Large Scale Movements in Blocky Rock Systems,”in Proceedings of the Symposium of the International Society of Rock Mechanics(Nancy,France,1971),Vol.1,Paper No.II-8,1971.

[4]Cundall,P.A.“Distinct Element Models of Rock and Soil Structure,”in Analytical and Computational Methods in Engineering Rock Mechanics,Ch.4, pp.129-163,E.T.Brown,Ed.London:Allen&Unwin.,1987.

[5]Cundall,P.A.“Formulation of a Three-Dimensional Distinct Element Model —Part I.A Scheme to Detect and Represent Contacts in a System Composed of Many Polyhedral Blocks,”Int.J.Rock Mech.,Min.Sci.&Geomech.Abstr., 25(3),107-116(1988).

[6]Cundall,P.A.,and R.Hart.“Numerical Modeling of Discontinua,”J.Engr.Comp.,9,101-113(1992).

P62[文獻碼]B

1000-405X（2016）-3-190-2