開采覆巖運(yùn)動(dòng)特征及動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)值模擬研究

趙亞軍,張繼高

(河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038)

煤炭開采所引起的采動(dòng),在采場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生礦壓顯現(xiàn)。地表移動(dòng)是煤層開采后覆巖移動(dòng)由下往上逐步發(fā)展到地表的結(jié)果。覆巖巖性與組合對(duì)地表沉陷的動(dòng)態(tài)過程與沉陷盆地特征有顯著影響。山西某煤礦在井田西南部大部分區(qū)域開采煤層上覆地層中，含有一層厚巖漿巖，該巖漿巖層致密堅(jiān)硬，整體性好。當(dāng)在小范圍非充分采動(dòng)時(shí)，厚巖層依靠自身強(qiáng)度和剛度可以形成自撐結(jié)構(gòu)。煤層開采后由下至上形成的冒落帶和裂隙帶發(fā)展到該巨厚巖漿巖后被阻隔，從而使上部巖層的彎曲變形非常小，致使“三帶”發(fā)生變異(圖1)。隨著開采范圍的增加，厚巖漿巖層內(nèi)的應(yīng)力逐漸積累，離層空間加大，當(dāng)開采引起的彎曲應(yīng)力達(dá)到和超過巖漿巖層自身強(qiáng)度極限時(shí)，或巖體內(nèi)的斷裂結(jié)構(gòu)引導(dǎo)，巨厚巖體產(chǎn)生突發(fā)性斷裂和大面積垮落，有可能引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。為保證礦井安全生產(chǎn)，必須搞清楚巨厚巖漿巖下部開采時(shí)覆巖的運(yùn)移規(guī)律及其動(dòng)力響應(yīng)。

圖1 開采覆巖“三帶”發(fā)生變異示意圖

1 有限元模擬計(jì)算

1.1 有限元計(jì)算模型

計(jì)算模型計(jì)算范圍橫向?yàn)?100m，縱向900m，如圖2所示。其范圍內(nèi)的地層經(jīng)過多年的工程地質(zhì)鉆探和野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，斷層分布和優(yōu)勢(shì)節(jié)理分布以及碎裂結(jié)構(gòu)巖體的不連續(xù)面等都基本清楚，有室內(nèi)流變剪切試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)大塊體試驗(yàn)原位直剪試驗(yàn)以及室內(nèi)大三軸試驗(yàn)，取得了較為準(zhǔn)確的弱層強(qiáng)度、巖塊強(qiáng)度及節(jié)理巖體強(qiáng)度。

圖2 有限元計(jì)算模型示意圖

模型塊體的本構(gòu)關(guān)系采用莫爾-庫侖準(zhǔn)則，節(jié)理面的本構(gòu)模型選用面接觸的庫侖滑移模型。模擬開采深度-730m，距邊界510m處設(shè)置開切眼，模擬開挖長度為2100m，開挖推進(jìn)步距為110m，煤層假設(shè)為水平煤層，厚度為11m，采用一次采全高方案。煤層直接頂為56m砂巖，其上分別為粉砂巖37m、泥巖36m、礫巖42m、細(xì)砂巖264m，距煤層頂板428m處是117m厚的巖漿巖，巖漿巖上為194m表土層。

1.2 計(jì)算參數(shù)的選取

巖體的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體的力學(xué)參數(shù)

計(jì)算參數(shù)對(duì)離散元非線性模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。剛度系數(shù)兩個(gè)塊體接觸，當(dāng)彈性模量為E，泊松比為μ，則法向剛度系數(shù)Kn為：

Kn=(Ea)/2b

式中：a，b為塊體的尺寸。切向剛度系數(shù)Ks可由法向剛度系數(shù)Kn求得：

Ks=Kn/[2(1+μ)]

在離散單元法分析中，剛度系數(shù)作為傳力，只有選用足夠大的剛度系數(shù)才能保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確和穩(wěn)定性。計(jì)算時(shí)節(jié)理參數(shù)如表2。

表2 計(jì)算時(shí)節(jié)理參數(shù)表

1.3 計(jì)算結(jié)果分析

由于巖漿巖這種特殊巖層的存在，使采空區(qū)上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律發(fā)生變異，所以選取巖漿巖層作為主要研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行模擬分析，得到結(jié)果如下。

1.3.1 位移場(chǎng)變化特征

模型從開切眼開始推進(jìn)，分別在不同標(biāo)高設(shè)置監(jiān)測(cè)線，監(jiān)測(cè)豎向位移。-720監(jiān)測(cè)線下沉曲線如圖3所示。

1.3.2 位移矢量場(chǎng)變化特征

開挖500m位移矢量圖如圖4所示。從圖4可以看出，巖漿巖下部覆巖移動(dòng)規(guī)律基本上不受巖漿巖的影響，直接頂冒落后，上部巖層出現(xiàn)裂隙并發(fā)生彎曲下沉，位移增大是緩慢的過程，并且其移動(dòng)規(guī)律也是非線性的，距離頂板越近，下沉量越大，其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)也出現(xiàn)整體下沉的現(xiàn)象。上覆巖層有向采空區(qū)移動(dòng)趨勢(shì)。巖漿巖層在第一次出現(xiàn)破斷現(xiàn)象后，導(dǎo)致其位移突然增大，并且位移增大速度較大，位移變化量也較大。巖漿巖發(fā)生第二次破斷時(shí)，位移增大速度較小，說明其為一個(gè)緩慢下沉的過程，對(duì)下部巖層的影響較小。上部第四系粘土巖位移變化規(guī)律與巖漿巖層相似，表明其位移變化主要受巖漿巖層控制。

圖3 標(biāo)高-720m監(jiān)測(cè)線位移下沉變化曲線

圖4 開挖500m位移矢量圖

1.3.3 應(yīng)力場(chǎng)變化特征

通過模擬計(jì)算,得到不同開挖步巖體內(nèi)部的應(yīng)力分布圖，開挖至 500m 時(shí)的最大主應(yīng)力分布圖如圖5所示。

由圖5可以看出：采空區(qū)兩幫巖體處于較高的應(yīng)力狀態(tài)，采空區(qū)上方由于巖體垮落，應(yīng)力得到釋放，應(yīng)力比較小?？迓鋷戏匠霈F(xiàn)主應(yīng)力增大的區(qū)域，這是由于形成多個(gè)“壓力拱”，“壓力拱”承擔(dān)主要承力體，并沿著拱形橢圓區(qū)域把上覆巖層的應(yīng)力、荷載傳遞到采空區(qū)兩幫。上部的緩慢下沉帶主應(yīng)力較小，并且比較平均。巖漿巖層的主應(yīng)力比較大，大部分35MPa到40MPa，但是主應(yīng)力較大的區(qū)域局限于采空區(qū)上方，范圍比較小。

圖5 開挖500m局部最大主應(yīng)力分布圖

2 結(jié)論

通過對(duì)研究區(qū)域開挖過程的離散元數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論:

1) 巖漿巖層在整個(gè)覆巖移動(dòng)過程中起主導(dǎo)作用，巖漿巖下部巖層遵循“三帶”移動(dòng)規(guī)律，巖體冒落、裂隙、彎曲下沉比較明顯。

2) 巖漿巖層應(yīng)屬于彎曲下沉帶，但由于其本身特殊的力學(xué)性質(zhì)，使巖層移動(dòng)發(fā)生變異。在開挖過程中巖漿巖層與下部巖層之間出現(xiàn)較大的離層空間，隨著工作面的推進(jìn)，巖漿巖首先出現(xiàn)分層，然后突然發(fā)生破壞，對(duì)下部巖體產(chǎn)生沖擊，同時(shí)離層逐漸閉合，與下部巖層出現(xiàn)有效的荷載傳遞，致使下部巖層應(yīng)力突然增大，此后巖漿巖層進(jìn)入比較穩(wěn)定狀態(tài)，隨后巖漿巖層發(fā)生整體運(yùn)動(dòng)。巖漿巖層在破壞過程中，豎向位移突然增大，上部表土層受其影響，位移隨之增大。巖漿巖層在整個(gè)開挖過程中對(duì)覆巖移動(dòng)、應(yīng)力變化及地表沉降都起控制性作用。由于巖漿巖層一直處于較高的應(yīng)力狀態(tài)，在破壞過程中釋放大量的能量，對(duì)整個(gè)采場(chǎng)產(chǎn)生比較大的影響，極易發(fā)生重大事故。

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