蘆嶺煤礦8煤層覆巖移動規律數值模擬

鄒立強，陳仕剛，丁宏偉

（山東省煤田地質局第二勘探隊，山東濟寧272000）

蘆嶺煤礦8煤層覆巖移動規律數值模擬

鄒立強*，陳仕剛，丁宏偉

（山東省煤田地質局第二勘探隊，山東濟寧272000）

煤層開采將引起原有應力平衡的破壞，導致覆巖的變形與破斷，不利于礦井的安全生產。基于巖石損傷力學的基本原理，分析了覆巖變形失穩的條件。結合礦區鉆孔99-4揭露的開采地質條件和巖石力學性能等參數，運用巖石破裂過程分析系統（RFPA2D）建立了力學模型。結果表明：覆巖中的離層面和縱向破斷面的張開和閉合是一個動態演化過程；細中砂組合覆巖采動中直接頂基本是在工作面推進40m時發生離層破壞，而基本頂則是在工作面推進約65m時整體垮落，之后周期垮落步距10～15m。

煤層開采；覆巖失穩；移動規律；動態演化；數值模擬

煤層開采將引起上覆巖層應力重新分布，使之產生變形、破斷和滲透變化等一系列復雜的工程地質作用過程。采用數值模擬的研究方法對上覆巖層的裂隙發育情況與其破壞規律進行的分析，目前國內外的研究角度較為全面，研究成果也較為豐碩［1-5］。其中對上覆巖層的結構研究中，各種梁理論的建立在時間上較早［6-8］。陳忠輝、馬占國等人借助損傷力學的理論建立一個簡單的力學模型或從時變邊界的力學分析總結覆巖的移動破壞機理［9-10］。基于覆巖采動失穩條件的分析，并且利用鉆孔對巖芯進行巖石物理、力學性質參數測定，在分析蘆嶺煤礦8煤層頂部巖石結構及力學性質特征研究的基礎上，建立了以此為依據的力學模型，預期演繹出8煤層在真實開采的條件下上覆巖層移動與破斷規律，依此利用既得規律特征有效規避采場頂板事故，為采場進行科學設計提供依據。

蘆嶺煤礦位于宿縣礦區東部，宿東向斜西南翼的東南段。8煤層屬于下石盒子組沉積，與上部煤層底板間距平均20m，下部煤層頂板平均3.5m，沉積巖則以砂巖、粉砂巖和泥巖為主。本次模型數據源為三水平一采區上的99-4鉆孔，主要模擬位于井田中部F7～11-12線之間的區域，該區發育主要有斜切斷層F40、FD17，根據斷層分形理論計算［11］，其值為0.79248，相關系數為0.9776，因此相對構造比較簡單。研究區頂板粒度自下而上變粗，基本頂細中砂為主，基本構成則是長石以及石英砂巖，其中大型楔形交錯層理時有出現。

1　采動后覆巖失穩垮落的條件分析

采場覆巖破壞有很多類型，例如離層、冒落、層間錯動，剪切破壞和塑性變形，塊體移動、沿軟弱結構面的滑動，巖爆、煤爆和片幫等，可以分為4種破壞機制：張破壞、剪破壞、結構體的滑落和轉動［12-13］。

張破壞是煤巖張應變達到或者超過巖體的損傷閾值造成的，其理論公式為：

式中：εi（i=1，2或3）——巖體在重分布應力作用下i個方向上的張應變；

εi，0——巖體的極限張應變。

剪破壞的判據可用Mohr-Coulomb強度理論：

式中：τ——抗剪強度；

σ——法向應力；

C、φ——巖體的粘聚力和內摩擦角。

巖體應變的同時巖體內力會重新分布，然而巖體結構并不會隨即變化，而是產生“梁”這種結構模型，其穩定狀態的持續關鍵可能決定于巖層移動中形成離層區附近的幾個巖塊，在文獻［13］中的“S-R”穩定條件分析即是對砌體梁的滑落與轉動變形失穩條件的詳細論述。

覆巖失穩垮落條件的建立與選用，比較系統的反映了覆巖在采動中的應力場的變化，為覆巖的失穩變形類型提供了依據，有利于對覆巖失穩破壞機理的分析與研究。

2　數值模擬模型

2.1數值模擬軟件的選取

采場上覆巖層的運動是一個非常復雜的動態發展過程。由于覆巖材料存在著非勻質性，破壞的非連續性，力學行為的非線性等特點［14-16］，從而以往使用的模擬系統都存在著或多或少的局限性。東北大學巖石破裂與失穩研究中心開發的巖石破裂過程分析系統RFPA2D是利用有限元的理論基礎，充分考慮了巖體的各向力學性能的不一致性，以各微小基元的參數通過宏觀方式表現出來，對巖體的本構關系模擬較為具體。RFPA2D分析系統假定細觀基元的力學性質服從某種分布，以物理統計方法描述其離散性，建立了細觀與宏觀介質力學性能的聯系。因此采用巖石破裂過程分析軟件RFPA2D系統會更真實的模擬覆巖采動的動態發展過程，更好的分析其變形破斷規律、機理。

2.2覆巖巖石力學參數的測定

本次模型采用鉆孔99-4的巖芯材料作為基本數據來源。表1是嚴格按照巖石力學試驗規程，對8煤層上覆關鍵巖層進行力學性能進行測試的結果。根據測試結果泥巖抗壓強度在7.6～32.5MPa之間，平均在25MPa，彈性模量在10.2～25.1GPa之間，平均在17.65GPa。粉砂巖抗壓強度在51.9～107.1MPa之間，平均在79.5MPa，彈性模量在33.1～50.6GPa之間，平均在41.85GPa。粗砂巖抗壓強度為131.4MPa，彈性模量為27.633GPa。

表1　數值模擬模型中各巖層的主要力學參數

2.3模擬模型基本數據

模型建立以無限接近相應區域的原始尺寸為原則，在水平方向上選用了280m，而在上下方向的選用上，采取了采動過程中短期可能夠影響到的130m厚度，這樣按1m×1m的基元劃分將模型歸為36400個基元的系統。另外，短期影響不到的上覆巖層根據地應力化為與之相應的載荷。為防止邊界效應的影響，在模型的兩端分別預置保護煤柱50m。近似模擬采煤過程，以2m采高、5m為步距分步分階段向前推進。在邊界的兩端采用水平約束，而在邊界的上部巖層可以存在水平滑動。巖層組合模型見如圖1所示。

3　模型模擬煤層開采過程中上覆巖層的移動特點

在切眼開拓的瞬間，伴隨著應力的重新分布（應力大小在模型中由亮度表示，亮度越大表示應力越大），當開挖近10m時，在采空區兩端應力出現明顯集中，而在采空區上部有限范圍內亮度變暗，說明地應力有所減弱，底板影響不明顯。當采空區跨度達30m時，直接頂內出現黑點，說明直接頂移動破壞開始。這是由于層間滑動引起直接頂的張性破壞，發生了直接頂的層間錯動—離層—冒落（圖2a-b）。

采空區跨度為40m時，直接頂陸續產生多處黑點，隨著工作面的推進黑點進一步擴大，而且與上位巖層之間產生線狀黑色區域。說明隨著直接頂內部張力的不斷發展促成了離層裂隙的出現，同時基本頂內部也出現了應力集中，逐漸發育有豎直方向的裂隙與離層裂隙，裂隙帶繼而出現。采空區跨度不斷擴大，直接頂出現大面積的暴露，煤壁位置剪切應力持續加大，其上部出現明顯裂隙。開挖至55m時，直接頂大面積的垮落，顯然此時基本頂以“砌體梁”形式支撐著上覆巖層。另外，基本頂也逐漸移動下沉，裂隙進一步向上發展（圖2c-d）。

圖1　巖層組合數值模擬模型

圖2　數值模擬結果

隨著工作面的向前推進，基本頂內部裂隙逐漸貫通。采空區跨度達到65m時，基本頂向下移動速度加快，承載能力加速下降并最終破斷，形成懸臂梁結構。此時采空區后方煤壁上部剪應力集中明顯，隨后整體垮落。采空區上部巖層協同垮落，裂隙急速向上擴展至75m左右（圖2e）。基本頂初次垮落后，工作面繼續推進時上部巖層移動速度和規模則相對穩定，然而工作面前方時變煤壁上方應力卻逐漸變大，向前推進至75m時，基本頂上方又一次出現破斷，但離層裂隙向上發育極為有限。之后基本頂變化又處于短暫穩定狀態，并逐漸形成了穩定的冒落帶（圖2f）。基本頂垮落后，冒落帶由于壓實作用在采動過程中形成的裂隙又逐漸閉合。

4　結論

（1）煤巖開采過程中，采空區上方應力的不斷變化造成局部應力集中，使上覆巖層發生移動和破壞。直接頂是由于張力作用產生豎向裂隙與離層，進而冒落。基本頂則是由于豎向裂隙的不斷發展并逐漸貫通而形成的“砌體梁”結構，達到承載力上限引起破壞；在采動過程中，巖體的破壞結構面隨著垮落穩定又逐漸閉合，因此離層面和縱向破斷面的張開和閉合是一個動態演化過程。

（2）模擬結果顯示了細中砂組合覆巖采動中存在的特點：8煤層模擬區域內直接頂每步開挖都會發生應力擾動，在40m步距時離層裂隙極為發育，達55m步距時冒落變得劇烈。基本頂的初次垮落步距為65m，周期垮落步距為10～15m。離層裂隙發育高度約75m左右，形成穩定的冒落帶。

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TD325

A

1004-5716（2016）04-0126-04

2015-03-30

鄒立強（1986-），男（漢族），山東濟南人，助理工程師，現從事地質工程和礦井地質方向研究工作。