薄基岩采动岩体裂隙发育模型试验及颗粒流数值模拟

沈丁一 杨伟峰 高 岳

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300000;2.中国矿业大学，江苏徐州 221116)

在我国东部地区，煤系地层的上覆岩层厚度较小，岩层上覆盖层由一定厚度的新近系、第四系组成。岩性上以砂层、砾石层或砂砾互层为特点，总体呈现典型的“三含四隔”地层结构［1］。在薄基岩条件下，采矿诱发的导水裂缝带容易破坏上覆岩层，裂隙带直接发育贯通到基岩覆盖层底部的含水层，导致工作面突水涌砂，威胁煤矿安全生产。

钱鸣高院士将基岩分为厚基岩、薄基岩和超薄基岩。将煤层厚度超过4 m，上覆岩层厚度小于40 m的基岩层定义为薄基岩［2］。薄基岩问题可查阅的最早研究文献始于上世纪90年代初期，石平五，侯忠杰研究了顶板破断运动规律［3，4］，柴敬采用大比例相似模型研究浅埋煤层开采的覆岩运动规律［5］。2000年以后，张惠，许家林等对于薄基岩条件下矿压规律进行了实测研究［6-7］，杨伟峰，侯忠杰展开了模型试验［8-9］。此后，杨伟峰，黄汉富，李振华，张建华等均以薄基岩条件为学位论文课题展开研究，取得了丰富成果［10-13］。

在前人研究取得的丰硕成果上，以某煤矿一采区为研究对象，以相似模型和数值模拟为研究手段，进行薄基岩条件下采动裂隙发育规律研究，旨在为该矿提高开采上限，防治水砂突涌，确保生产安全提供决策支持。

1 某煤矿工程地质条件概述

某煤矿位于山东省兖州地区，含煤地层包括石炭系中统的本溪组、上统太原群和二叠系中统的山西组，太原组和山西组为主要含煤地层。含煤地层以赋存浅、煤层露头长、煤层煤质稳定、水文地质条件中等为特点，所处区域构造简单，地层产状平缓，倾角10°～15°。

煤系地层上覆层由上至下依次是:第四系(Q):厚度为133.00～194.00 m，平均厚度为158.95 m;上侏罗统(J3)，厚度0～106.29 m。其中第四系根据其岩性和含水特征可大致分为上、中、下三组。上组:平均厚度为64.06 m，以棕黄色为主的黏土、砂质黏土、黏土质砂(砂砾)及砂(砂砾)组成，层次厚薄不一，砂层较松散，透水性强，富水性强，为强含水层。中组:平均厚度53.70 m，以灰绿色黏土、砂质黏土为主，夹黏土质砂(砂砾)，黏土质含量较高，砂砾层少，基本上为隔水层组。下组:平均厚度36.47 m，厚度一般较薄，由浅灰、灰白色为主的黏土，砂质黏土，黏土质砂(砂砾)及砂(砂砾)层组成，砂砾层所占的比例高，黏土质含量次于中组，因而其富水性和透水性比上组弱而比中组强。该组含水性及富水性属中等偏弱，与下伏地层呈角度不整合接触关系。上侏罗统(J3)为陆相沉积，井田内大部分地区被剥蚀掉，厚度0～106.29 m，主要为紫红色细、中粒泥质砂岩;下部夹有粉砂岩多层，与细砂岩互层，与下伏煤系地层呈角度不整合接触。

2 工程地质模型建模及试验结果

采用中国矿业大学地质工程系的工程地质模型试验架进行该矿区工作面开采相似模型试验。采区长225 m，宽30 m，煤层上覆地层总厚度120 m，基岩高度40 m。根据相似理论［14］，模型长 1.5 m、宽 0.2 m、高0.8 m，相似比1∶150，时间系数12.2，容重系数1.0。采用河沙、重晶石粉为骨料模拟基岩，胶结物材料用石膏，煤层中加入适量煤粉用来减少材料重度，铺设模型时铺洒适量的云母粉作为分层弱面。模型采用分段开采，两端分别留设0.3 m左右煤柱，设计采放高度0.05 m，开采长度0.9 m。未能模拟的上覆岩层用荷载代替，所加荷载重量200 kg。模型材料参数根据矿区岩石力学参数指标进行选取(见表1)，所设计模型如图1。

表1 岩石力学参数

图1 模型整体

模拟开采共分四段进行，每次开采长度约为0.225 m。开采后第一段后，从模型中可以观测到岩层部分出现垮落，垮落带高度0.1 m，发育离层高度0.16 m，可认为此时的导水裂隙带高度0.16 m。开采第二段结束后，垮落带高度0.14 m，离层高度发展到0.24 m，可以认为此时导水裂隙带发育高度为0.24 m，可以观测到上覆土层已发生变形。开采第三段时，此时垮落带高度发展到0.16 m，而导水裂隙带已基本贯通基岩，在岩层中呈现出马鞍形，先期基岩内出现的离层逐步闭合，基岩顶部与黏土层接触处发生明显离层，导致黏土层发生变形。开采第四段时，即到达预留煤柱处时，离层高度减小，黏土层变形加剧且出现裂隙，认为此时导水裂隙带极有可能导通含水层。图2为开采第三段时模型照片，可以清晰看到导水裂隙带在岩层中呈现出马鞍形，基岩与黏土层处的离层发育。

图2 开采第三阶段

利用相似模型所得数据，可以对实际开采中的工程地质情况进行定性预测。图3为预测开采过程中导水裂隙带变化情况，导水裂隙带最大高度预测为45 m。图4为预测开采过程中上覆岩层顶部沉降量，最大沉降量预测为5 m。

图3 预测开采过程中导水裂隙带变化情况

图4 预测开采过程中上覆岩层顶部沉降量

3 颗粒流数值模拟

颗粒流(Particle flow code)通过离散单元方法来模拟圆形颗粒介质的运动及其相互作用［15］，应用商业软件PFC2D由美国Itasca consulting group开发。国内方面，周健等较早介绍其在岩土工程中的应用［16］。

PFC2D颗粒模型是通过颗粒间的相互作用来表现整个宏观应力状态，所定义的颗粒间相互作用有接触处的法向接触力、切向接触力接触摩擦力其中下标表示力由第i个颗粒单元通过接触作用于第j个颗粒单元上。根据颗粒流理论的接触本构假设，上述各个相互作用力分量可分别通过法向刚度、切向刚度和摩擦系数，以及法向相对位移和切向相对位移进行计算［14］

法向接触力沿两颗粒单元圆心的连线，切向接触力与摩擦力则与之垂直。PFC2D给定颗粒之间的接触模量Ec以及定义法向刚度、切向刚度之比kn/ks。

根据前述的工程地质力学模型建立数值模拟模型。由于模型主要模拟基岩中裂隙发育及变化规律，数值模型只模拟煤层顶板岩层，未能模拟的上覆第四系土层采用补偿荷载代替。

数值模型与实际采区尺寸相同，长225 m，高120 m。从煤层顶部开始由下到上分为四层，分别为砂岩、含黏砂土和黏土，第四层用来模拟上覆第四系土层。由于不能全部模拟，可以加大此层的密度，以达到上覆荷载的要求，所建模型如图5。

图5 数值模型及监测点

模型共分四次进行开采，分别为30 m、60 m、90 m、135 m，两端分别留设45 m煤柱，煤层的开采过程运用删除墙体来实现。重力加速度为9.81 m/s2。模型开采过程中应监测不平衡力和平均连接力的变化曲线及墙体所受应力的变化情况。

图6 不同采长下模型变化情况

从图6中可以看到，随着采长的不同，模型的变化情况也表现出不同特征。当开采到30 m时，可以看到裂隙的发育情况，但并没有贯穿基岩。当开采到60 m时，垮落球体增多，裂隙已贯穿整个基岩，上部含黏砂层已有裂隙发育。采长达到90 m时，上部砂层以发生明显位移，裂隙更加发育。135 m时裂隙贯穿上部砂层，并延伸到黏土层，黏土层产生位移，并伴有微小裂隙生成。

从图7中可以看出，煤层开采过程中，最大接触力呈现出先增大后减小的变化特征，煤层开采到85 m左右时达到最大值，接触力均在采空区上部边缘发生应力集中。颗粒的最大位移随采长的增加而变大，导水裂隙带发育大致呈现马鞍形状，这与相似模型试验所得结果一致，验证了数值模型的有效性。

图7 最大接触力随采长的变化关系曲线

4 结论

(1)根据某煤矿工程地质条件，以相似理论为基础，建立了薄基岩条件下工程地质力学模型。试验结果表明，薄基岩条件下，采动诱发的导水裂隙带可以很快波及上覆含水层，在本模型中出现在第三开采阶段。导水裂隙带总体呈现马鞍形，与传统上三代理论相符。

(2)以颗粒流理论为基础，建立了薄基岩条件下的数值模型。该模型首次将颗粒流模型应用于采动裂隙研究中，试验结果与工程地质力学模型结果相似，验证了该数值模型的有效性。

(3)从工程地质力学模型和数值模型模拟试验结果可以得出:薄基岩条件下煤矿采动裂隙具有很高的可能性波及第四系松散含水层。因此，薄基岩条件下煤矿安全开采是值得重视的问题。

［1］ 隋旺华，董青红，蔡光桃，等．采掘溃砂机理与预防［M］．北京:地质出版社，2008

［2］ 钱鸣高，石平五．矿山压力与岩层控制［M］．徐州:中国矿业大学出版社，2003

［3］ 石平五，侯忠杰．神府浅埋煤层顶板破断运动规律［J］．西安矿业学院学报，1996，16(3):203-207

［4］ 侯忠杰．厚砂下煤层覆岩破坏机理探讨［J］．矿山压力与顶板管理，1995(1):37-40

［5］ 柴敬．浅埋煤层开采的大比例立体模拟研究［J］．煤炭学报，1998，23(4):391-395

［6］ 张惠，田银素．薄基岩大采高综采面矿压显现规律［J］．矿山压力与顶板管理，2004，21(3):69-71

［7］ 许家林，蔡东，傅昆岚．邻近松散承压含水层开采工作面压架机理与防治［J］．煤炭学报，2007，32(12):1239-1243

［8］ 杨伟峰，隋旺华．薄基岩条带开采工程地质力学模型试验研究［J］．中国矿业大学学报，2004，33(2):170-173

［9］ 侯忠杰，吴文湘，肖民．厚土层薄基岩浅埋煤层“支架－围岩”关系实验研究［J］．湖南科技大学学报:自然科学版，2007，22(1):9-13

［10］ 杨伟峰．薄基岩采动破断及其诱发水砂混合流运移特性研究［D］．徐州:中国矿业大学，2009

［11］ 黄汉富．薄基岩综放采场覆岩结构运动与控制研究［D］．徐州:中国矿业大学，2012

［12］ 李振华．薄基岩突水威胁煤层围岩破坏机理及应用研究［D］．北京:中国矿业大学，2010

［13］ 张建华．薄基岩浅埋煤层安全开采技术研究［D］．太原:太原理工大学，2011

［14］ 崔广心．相似理论与模型试验［M］．徐州:中国矿业大学出版社，1990

［15］ Cundall P．A．，Strack O．D．L．Particle flow code in 2 Dimensions［J］．Itasca consulting group，Inc．，1999

［16］ 周健，池永，池毓蔚，等．颗粒流方法及PFC2D程序［J］．岩土力学，2000，21(3):271-274