基于RFPA2D的采動覆巖離層生長規律的數值模擬研究

媛媛

(青島理工大學 山東省地質環境與效應工程技術研究中心 山東 青島 266033)

一、前言

煤礦開采過程中引起上覆巖層的移動，使圍巖的力學性質發生了變化，導致應力、應變增加和能量積聚，從而誘發礦井動力災害[1]，礦井動力災害對人民群眾的生命財產安全及國民經濟的發展均造成了不可估量的影響。在其災害的誘發因素中，采動覆巖離層的產生在很大程度上影響著上述災害的發生。因此，研究上覆巖層離層的移動規律對煤礦開采具有重要的指導意義。本文采用RFPA數值分析軟件進行相應的數值模擬分析。在覆巖離層分布規律的影響因素中，主要因素為地質條件和開采條件。在地質條件一定的情況下，離層的發展情況主要取決于其開采條件。離層開采條件主要為開采寬度與開采厚度，為此本文選取開采寬度及開采厚度兩種因素來分別研究其對采動覆巖離層生長分布規律的影響。

二、數值模擬及其結果分析

(一)數值模型的建立。本文通過運用RFPA數值分析軟件分別建立三個工況的二維模型，各工況模型均長300m，高150m，各工況煤層上方各地層分布及土層力學參數見表1，開挖均從距離該模型左邊界100m處的煤層向右分4步進行，每次開挖15m。其力學參數：抗壓強度10Mpa，彈性模量500Mpa，內摩擦角30°，泊松比0.25，密度2kg/m3。各工況的數值計算模型如圖1所示。

表1 各工況地層分布情況表

圖1 各工況數值計算模型圖

(二)數值模擬結果及其分析。各工況計算步驟分析結果如圖2、3、4所示。

圖2 工況一(開采厚度6m)

由圖2工況一可知：步驟一中工作面推進距離為15m時，煤層頂板懸裸形成的板梁結構在自重應力及上覆巖層施加的豎向荷載作用下發生彎曲沉降，由于開采空間較小，沉降不明顯；步驟二中工作面推進距離為30m時，頂板彎曲沉降增大，煤層上方10m處第1條離層出現；步驟三中工作面推進距離為45m時，頂板彎曲沉降繼續增大，原有離層寬度增大，在煤層上方17m與27m處分別出現2條新離層；步驟四中工作面推進距離為60m時，頂板發生塌落破壞，原有離層寬度增大，且向上擴展，47m處出現新離層，原有離層部分中間部位發生閉合。

圖3 工況二(開采厚度8m)

由圖3可知：步驟一中煤層頂板發生較小彎曲沉降；步驟二中頂板上方8m與15m處出現2條狹窄離層，離層數目多于工況一步驟二中離層條數；步驟三中頂板的懸裸范圍加大，頂板沉降增大，原離層變長，頂板上方45m處出現1條新離層，最大離層高度高于工況一步驟三中離層高度；步驟四中離層繼續向上發展，離層長度、寬度增加。

圖4 工況三(開采厚度10m)

由圖4可知：步驟一中煤層頂板彎曲沉降較小，離層未出現；步驟二中頂板上方6m與13m處分別出現2條離層，離層長度均比工況二步驟二中離層長度長；步驟三頂板的懸裸范圍、彎曲沉降值和離層增長，煤層頂板23m處與43m出現新的離層，且呈擴展狀態，離層長度均比工況二步驟三中離層長度要長；步驟四中離層繼續發展，煤層頂板33m處出現1條新的離層，且處于起裂狀態。

對比分析工況一、工況二及工況三可知：在地層條件一定的情況下，開采寬度較小時煤層頂板達不到破壞條件，頂板沉降較小，離層基本不發展。隨著工作面、開采寬度的增加，離層發展加快，離層數目與生長高度都隨之增加。地層條件、開采寬度一定時，隨著工作面的發展，開采厚度、頂板沉降增大，離層的分布范圍、生長高度持續發展。各工況均表明各層離層發展呈現不同步現象，總體上呈由下到上的變化規律。

三、結論

通過上述開采過程中覆巖離層發展規律數值模擬研究，可以得出以下結論：

(1)煤層開采后形成采空區，地層應力受到破壞，上覆巖層在應力作用下發生冒落、斷裂、彎曲和下沉，由下向上逐步發展，導致相鄰巖層彎曲，由于各巖層沉降速率存在差異，且彎曲沉降不同步，從而引起巖層在其層面上發生離層現象。

(2)離層隨著工作面的推進而不斷向前、向上發展，且離層發展呈現不同步現象，不同層位離層起裂的時間不同，故在同一時刻，各離層所處生長狀態各不相同。

(3)離層發展規律受不同開采寬度的影響。開采寬度越大，上覆巖層在自重作用下的活動越劇烈，離層發展越迅速，離層數目與離層生長高度都隨之增加。

(4)離層發展規律受不同開采厚度的影響。開采厚度越大，巖層頂板垮落下沉量越大，離層的分布范圍越大，離層的生長高度也越高。

[1]李文增，李岐，馬群.采動影響下覆巖破壞動態發展過程的數值模擬[J].金屬礦山，2012，(9):37-40.