巨厚砾岩层工作面覆岩移动规律数值模拟研究

姜海强,李 猛,吴晓刚,杜 杰,房 萧

(1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116；2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221008)

煤层顶板岩层的特性，特别是巨厚坚硬顶板是诱发煤矿冲击矿压的重要影响因素之一。随着上覆岩层悬顶长度的增大，巨厚顶板岩层中聚积的能量变大，当顶板发生破断和滑移失稳时，巨厚顶板聚积的大量能量瞬间释放，从而诱发顶板型冲击矿压。目前，国内外学者对巨厚砾岩层的研究较少，主要集中在冲击矿压、地表沉陷等方面，鲜有对上覆巨厚砾岩层的运动规律和破坏形式等方面的研究。史红、姜福兴等利用两端嵌固梁力学模型，对厚层坚硬顶板的破断规律进行了分析，根据岩层中的应力场分布，提出了大厚度坚硬岩层的3种破坏方式的力学判断。王金安等运用弹性基础厚板理论，研究巨厚岩浆岩下煤层不同开采阶段对上覆岩层的影响，以及岩浆岩变形规律与破坏形式。轩大洋、许家林等采用离散元计算方法，研究了巨厚火成岩下开采时的采动应力演化规律，从采动应力影响范围的角度，解释了煤与瓦斯突出灾害的原因。

本文结合义马矿区千秋煤矿21141实际工程地质条件，利用UDEC数值模拟软件，建立了采动影响下覆岩运动变化的数值模型，得到了覆岩的位移变化、塑性区分布和应力分布规律。

1 采矿地质条件

千秋煤矿21141工作面位于矿井西部二水平21采区下山西翼。地面标高590.1～617.5m，工作面标高为-38.1～-84.7m，平均采深638m。工作面可采走向长度1298m，倾斜长度130m，倾角10° ～14°， 煤层平均厚度为20m。

直接顶为深灰色泥岩，厚度23～27m，平均25m。基本顶岩性为砾岩，厚度平均407m。煤层底板岩性复杂，自上而下由砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩以及含砾相土岩组成，厚度0.3～6.7m，平均6.7m。

2 模拟软件的选取及模型的建立

2.1 数值模拟软件的选取

本文的数值模拟软件采用二维离散元分析软件UDEC，该软件能够很好地模拟岩体的复杂力学和结构特性。离散的岩块允许大变形，允许沿节理面滑动、转动和脱离冒落；在计算过程中，能够自动识别新的接触。单个块体可以是刚体或者是可变形的，接触是可变形的。节理的相对运动遵循法向或切向的线性或非线性运动关系。结合CAD软件，可以形象直观地反映岩体运动变化的应力场、位移场、速度场等各力学参量的变化。

2.2 数值模型的建立

根据 21141工作面的采矿地质条件，建立了与工作面实际情况基本相同的数值计算模型。由于本文研究上覆巨厚砾岩层对工作面回采的影响，模型没有简化，模型上边界为地表，数值模型的左右边界不小于一个完整工作面的开采及影响范围，大小为1380m×700m。建立的数值模型见图1。

图1 巨厚砾岩层工作面覆岩运动规律数值模型

2.3 模型的开挖步骤

模拟煤层从左到右开挖，开挖步距为10m，模型左右边界为位移约束ux=0；下边界也为位移边界uy=0。模拟岩层的参数采用岩石真实的力学参数，见表1。

表1 千秋煤矿岩性及力学性能

3 数值模拟结果及分析

3.1 工作面推进不同距离覆岩位移变化规律

当21141工作面进行分步开采时，不同开采阶段上覆岩层的位移及垮落情况不同，如图2所示。

图2 工作面推进不同距离岩层垮落形态

由图2可知，当工作面刚开始推进时，上覆岩层只出现了一些弯曲，并未有岩石垮落。当工作面推进40m距离时，此时直接顶发生初次垮落，垮落值为0～5m，覆岩继续弯曲变形。当工作面推进60m距离时，此时基本顶初次来压，随着工作面的推进，工作面周期来压步距为50m左右。岩层垮落明显，垮落值达到了16m。并且上覆岩层呈现出较大的弯曲变形，岩层之间离层明显。当工作面推进150m时，由于开采距离加大，上覆岩层出现明显的弯曲下沉，砾岩层坚硬不垮，其下面岩层垮落面积较大，垮落的岩石充满了采空区。当工作面推进310m时，采空区被垮落的岩石充满。砾岩层以下的岩层发生大面积旋转下沉，在细砂岩和巨厚砾岩层之间出现了明显的离层，巨厚砾岩层悬空不垮落。随着工作面继续推进，巨厚砾岩层开始自下而上逐层垮落。当垮落岩石充满离层空间时，砾岩层不再发生垮落。

3.2 21141工作面推进不同距离覆岩的塑性变化规律

图3为工作面推进不同距离覆岩塑性区发展形态。工作面推进60m时，工作面顶板大部分区域发生屈服，形成屈服区和塑性区。小部分区域发生拉伸破坏。顶板与巨厚砾岩层之间的岩层，受采动影响较小，塑性区发展缓慢。上方的巨厚砾岩层，由于自身的刚度较大，所以其没有发生明显变形。

图3 工作面推进不同距离覆岩塑性区发展形态

工作面推进到100m后，覆岩塑性区发育面积加大，顶板与覆岩发生弯曲下沉并且岩层底部出现了屈服。工作面前后方的煤体区域受采动影响后，屈服体积更大，影响范围更加广泛。

工作面推进到200m后，工作面前方的岩层几乎都发生了塑性变形，上方的岩层之间有屈服变形和塑性变形产生，左侧的岩层弯曲下沉强烈，岩层底部塑性屈服区域已经发生破坏。

3.3 工作面推进不同距离时覆岩的应力变化规律

21141工作面回采过程中应力变化规律，如图4所示。

图4 工作面推进不同距离应力情况

图4(a)是工作面分别推进60m、300m和550m时的应力变化情况。从图4中可以看出，随着开采空间的变大，工作面最大支承应力值也不断变大，煤壁两端的支撑应力在25～30MPa之间，采空区应力降低到15MPa以下。当工作面推进310m后，巨厚砾岩层不再悬空，开始触底稳定，采空区应力得以恢复。

图4(b)是工作面分别推进800m、1050m、1300m时的应力变化情况。从图4中可以看出，随着推进距离的加大，采空区垮落的岩石逐渐被上方下沉的岩层压实，岩层受到支撑应力增大，最大值达到28MPa。工作面前方的超前支撑应力也随之前移，并且每次推进应力均有升高，其值最终超过30MPa。

4 结论

本文主要研究了21141工作面在回采过程中，不同的推进阶段覆岩位移变化、塑性区分布以及应力变化规律。主要结论如下：

1) 随着开采空间沿走向方向的逐步推进扩大，煤层上覆岩层自下而上形成垮落带、断裂带和弯曲下沉带。巨厚砾岩作为关键层，位于弯曲下沉带中并与下方岩层间产生离层。

2) 工作面推进40m时，直接顶垮落，顶板大部分区域出现屈服，巨厚砾岩层刚度较大，没有出现变形；工作面推进60m时，基本顶发生初次来压，采空区上方岩层屈服区发育明显；当推进距离达到150m时，上覆岩层总体均发生屈服，巨厚砾岩层与下方的岩层离层加大。

3) 工作面推进初期，工作面顶板大部分区域发生屈服，顶板与巨厚砾岩层之间的岩层受采动影响较小。随着工作面继续推进，覆岩塑性区发育面积加大，顶板与覆岩发生弯曲下沉并且岩层底部出现了屈服。工作面推进到200m后，工作面前方、左侧和上方的岩层，几乎都发生了塑性变形，岩层底部塑性屈服区域已经发生破坏。

4) 随着开采空间的变大，工作面最大支承应力值也不断变大，煤壁两端的支撑应力在25～30MPa之间，采空区应力降低到15MPa以下。当工作面推进310m后，巨厚砾岩层不再悬空，开始触底稳定，采空区应力得以恢复。

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