綜采工作面回采過程中頂板破壞演化規(guī)律數(shù)值分析

周 偉

(霍州煤電集團有限責任公司團柏煤礦，山西 霍州 031400)

1 前言

工作面回采破壞了煤層頂板原巖應力平衡狀態(tài)，改變了巖體內(nèi)部的應力場環(huán)境，使巖體內(nèi)應力重新分布，最終會形成一個新的應力平衡狀態(tài)[1]。頂板巖層結構運動變化是影響采場礦壓顯現(xiàn)的主要原因，科學掌握工作面回采過程中頂板運動變化特征，掌握礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，對于維護采場穩(wěn)定、保障工作面安全生產(chǎn)具有重要的作用。

眾多專家學者從采場圍巖控制以及頂板管理的角度出發(fā)，基本掌握了采場頂板破斷演化規(guī)律，比較成熟的有壓力拱假說、懸臂梁假說、鉸接巖塊假說、傳遞巖梁理論、砌體梁理論以及薄板理論等[2～3]。這些理論在不同程度上都揭示了工作面回采過程中頂板破壞演化特征。團柏煤礦11- 101工作面采用綜采走向長壁采煤法。由于工作面還未開采，為給實際生產(chǎn)提供技術指導，本文采用F- RFPA2D數(shù)值模擬工作面回采過程中頂板破壞演化規(guī)律。

2 工程概況

團柏煤礦井田西部位于呂梁山南端的東麓，隸屬于山西焦煤霍州煤電集團，井田批準開采9號、10號、11號煤。其中11號煤埋深約304～381m，煤層厚度為3～3.5m，平均厚度約為3.3m，傾角1°～9°，平均4°。煤層直接頂厚約5.4m，以粉砂巖為主，層面可見泥質(zhì)成份，具裂隙，裂隙呈半充填；基本頂厚約9.7m，以灰?guī)r為主，中部夾有0.4m泥巖；直接底厚約1.5m，以鋁質(zhì)泥巖為主，層間有少量巖屑。本文以11- 101工作面為研究對象，該工作面位于11號煤首采區(qū)右翼，走向長度約為850m，傾向長度約為135m。

3 數(shù)值分析

巖石破裂全過程分析系統(tǒng)F- RFPA2D以有限元理論為基礎，根據(jù)計算力學原理，通過弱化單元模擬材料的非線性變形和巖石破裂過程的非連續(xù)行為，采用計算機可視化技術展現(xiàn)材料的破裂過程。作為彈性力學分析工具，根據(jù)彈性損傷理論及修正的Mohr- Coulomb破壞準則研究巖石材料從細觀損傷到宏觀破壞的全部過程，對解決實際工程問題具有參考意義[4～5]。

3.1 模型建立

根據(jù)11- 101工作面的地質(zhì)條件，建立數(shù)值模型，模型大小為250m×200m。根據(jù)表1巖石力學性質(zhì)參數(shù)實驗數(shù)據(jù)，對相關巖層賦值?？紤]到計算精度，將模型劃分250mm×200mm共50 000個單元。為了降低計算量，模型未建到地表，按海姆假說，在模型上部加200m的上覆巖層，模擬上覆巖層載荷大小為5MPa。處理模型邊界時，模型兩側和底部邊界均為滑動支座，兩側限制水平和垂直方向位移，底部限制垂直方向位移；底部邊界與兩側邊界的角點位置采用固定支座，限制模型水平方向與垂直方向位移，如圖1所示。

表1 巖石力學性質(zhì)參數(shù)

圖1 數(shù)值模擬力學模型示意圖

3.2 模擬過程

11號煤層采動之前，巖體處于原巖應力，所以數(shù)值計算時，首先要初始化模型應力。煤層采動后，覆巖遭到破壞，原巖應力受到擾動，應力重新分布，采用該軟件中修正的帶拉伸截斷的庫侖準則，根據(jù)11- 101工作面的推進方向和推進速度開挖11號煤層，每次開挖步距為6m，開挖20步，模擬11號煤層采動，分析頂巖層在工作面推進過程中的破壞特征。

3.3 模擬結果

數(shù)值模擬的重點是分頂板的初次來壓步距、周期來壓步距和在不同來壓步距中頂板巖層的破壞特征。圖片中的灰度值反映圍巖應力大小，灰度越亮，應力越大，反之，越來越小。

(1)直接頂垮落。如圖2所示，當工作面推進到12m位置時，原巖應力受到擾動較大，在切眼和煤壁前方位置出現(xiàn)應力集中，上覆巖層位置出現(xiàn)一個“壓力拱”，前拱腳位于工作面前方實體煤，后拱腳位于切眼后方實體煤。由于直接頂巖性較弱，當推進到一定距離時，由于懸露面積增加，隨著計算步數(shù)的增加，由于沒有支撐，受到重力作用，直接頂發(fā)生彎曲，然后離層，最終發(fā)生垮落，其垮落高度為2m。

(2)基本頂初次來壓。如圖3所示，隨著工作面不斷向前推進，直接頂不斷垮落，垮落高度保持在2m位置。當工作面推進到18m位置時，采空區(qū)上方“壓力拱”的拱頂向上部延伸，工作面前方煤壁的應力不斷增大，應力集中系數(shù)約為2.5。

圖2 直接頂垮落模擬結果(推進12m)

圖3 基本頂初次來壓模擬結果

當工作面推進到24m時，從模擬結果中可以看出，位于工作面切眼一側的基本頂巖層發(fā)生嚴重破壞。由于巖層自然平衡的結果，在發(fā)生塑性變形、破壞的巖體周邊，形成了一個“壓力拱”結構，在前后拱腳之間，由于巖層結構破壞，應力得到釋放，形成了減壓區(qū)。應力場發(fā)生變化的范圍隨著工作面的向前推進逐漸增大。

當工作面推進到36m位置時，懸露的基本頂承受的載荷超過巖層抗拉強度，基本頂發(fā)生變形斷裂、回轉(zhuǎn)，導致工作面前方煤壁壓力突然增大，基本頂發(fā)生初次來壓?；卷斊茢嗪?，積聚的能量得到釋放，煤壁前方承受的壓應力變小。所以，根據(jù)數(shù)值模擬結果，11- 101綜采工作面的基本初次來壓步距約為36m。

(3)基本頂周期來壓。如圖4所示，在基本頂發(fā)生初次來壓后，上覆巖層趨于穩(wěn)定，工作面向前推進，基本頂會再次發(fā)生斷裂，結構失穩(wěn)。當工作面推進到54m位置時，巖層結構的失穩(wěn)導致了工作面頂板來壓，這種來壓將隨工作面的推進而呈周期性出現(xiàn)，即所謂的工作面頂板周期性來壓。根據(jù)數(shù)值模擬結果，基本頂?shù)牡谝淮沃芷趤韷翰骄嗉s為18m。

圖4 基本頂周期來壓模擬結果

當工作面推進到78m位置時，上覆巖層結構發(fā)生了很大的變化，已經(jīng)發(fā)生斷裂、離層的巖塊在自重和開采擾動等因素的綜合影響下，部分發(fā)生閉合。由于模型未建立到地表，覆巖破壞已經(jīng)波及模型頂部邊界，基本頂發(fā)生第二次明顯的周期來壓。所以，根據(jù)數(shù)值模擬結果，第二次周期來壓步距約為24m。綜合以上結果，11- 101工作面基本頂周期來壓步距約為18～24m。

4 結論

根據(jù)團柏井田11- 101綜采工作面的實際地質(zhì)條件，采用F- RFPA2D模擬軟件，對工作面回采過程中頂板破壞演化規(guī)律展開數(shù)值模擬研究，主要得到以下結論。

(1)隨著工作面的向前推進，該工作面頂板覆巖結構變化為“壓力拱”，前拱腳位于工作面前方煤體，后拱腳位于開切眼后方煤體，拱頂隨著工作面推進，逐漸延伸到模型上部邊界。

(2)根據(jù)數(shù)值模擬結果，11- 101工作面直接頂初次垮落步距約為12m，垮落高度為2m；基本頂初次來壓步距約為36m；基本頂周期來壓步距約為18～24m。數(shù)值模擬結果對于現(xiàn)場預測預報頂板來壓與選擇合理有效支護方式具有重要的指導作用。

[1] 錢鳴高，繆協(xié)興，許家林，等．巖層控制的關鍵層理論[M]．徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2003．

[2] 宋占國.煤礦采場礦壓的一般規(guī)律理論研究[J].煤炭技術,2009,28(2):160-163.

[3] 王世炫,羅 勇,沈順平.大采高綜采工作面礦壓觀測及顯現(xiàn)特征研究[J].煤炭技術,2014,33(10):177-180.

[4] 林崇德.層狀巖石頂板破壞機理數(shù)值模擬過程分析[J].巖石力學與工程學報,1999,(4):392-396.

[5] 謝文兵，陳曉翔，鄭百生．采礦工程問題數(shù)值模擬研究與分析[M]．徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2005.