12081工作面煤岩体力学参数的选取及UDEC数值模拟分析

摘 要：由于12081采场围岩运移的复杂性，现场实测的数据反映的只是某一方面或者几方面的规律，对顶板活动难以有一个全面了解。研究方法采用相似模拟只能在部分方面取得较好的成果，但是会消耗较高成本。实验周期经较长，并且一次只能模拟一种状态。近年来，采用数值模拟方法能得到相似模拟所达不到的效果。

关键词：煤岩体 力学 参数 模拟 分析

中图分类号：TD313 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（c）-0245-02

由于12081采场围岩运移的复杂性，现场实测的数据只能反映某一些方面或某几方面的规律，难能对顶板活动有一个全面的了解。采用相似模拟的研究方法，虽然在某些方面能取得很好的效果，但是，模拟的成本高，实验周期经较长，并且一次只能模拟一种状态。近年来，采用数值模拟方法能得到相似模拟所达不到的效果。本次采用UDEC数值模拟方法，研究不同初撑力条件下，上覆岩层的稳定性。

1 煤岩体力学参数的选取

1.1 煤岩体力学参数的选取

关于岩体参数的参考值，其材料特性满足库仑—摩尔准则。确定模型材料参数如表1所示。

1.2 节理和角点圆弧化

可以将岩石块体之间的接触面认为是节理。根据不同的粗糙程度，个别的接触点构成接触面系，通常两个端点的接触可以代表，端点会在运动的时候发生相对的法向位移和切向位移。

块体不仅会有面接触还有点接触，不管是点还是面的接触，都会有数学上的奇异性，点接触会引起计算上的应力集中，但是实际情况是，尖角在力的作用下被折断钝化，因此还要将圆弧化处理加入到角点的计算中。

圆弧化处理角点之后，可以将圆弧的中心道边的垂线和边的交点作为边和角的接触点，节点的发现方向也就是垂线方向。两个焦点的接触点可以取两个圆弧中心的联机和圆弧交线的交叉点。经过圆弧化处理的角点增加了计算的时间，但是角点接触的奇异性被消除，这样的计算和实际接触点的物理图像更加符合。本次模拟时round取值0.2。

1.3 刚度系数

在UDEC中节理的法向和切向刚度系数kn和ks的正确选取是至关重要的。如果刚度系数取得太大，刚体块将连接成为一个整体，无相对运动可言；如果取得太小了，则刚体块将成为一盘散沙，相互间没有约束。作为一个经验的规则，刚度系数最大可取为刚度最大的邻接块体之间的等值刚度的十倍，即有：

式中：K为体积模量；

G为剪切模量；

△Zmin为节理两侧块体单元的最小宽度。

如果取用太大的刚度系数，会将大幅增加计算时间，却不会改变物理图像。但是如果取用太小的刚度系数，时步会被增大，加快计算速度，但是节理“过软”，块体间“嵌入”太多，与实际情况不符。

刚度系数对于不同的岩石其变化是很大的。对于软弱粘土夹层可为10～100 MPa/m。而对于花岗岩或玄武岩等的致密节理，则刚度系数甚至可以超过100 GPa/m。

UDEC中的刚度系数不同于一般弹性体的刚度系数，它仅仅作为单元间传递力的因子。刚度系数应取足够大，以使计算结果趋于稳定值。同时考虑到计算费用的经济性，在满足精度和稳定收敛要求的前提下，宜尽量减小块体刚度，刚度系数一般取1010～1011 n/m较为适宜。计算中刚度系数取值1010。

2 UDEC数值模拟

2.1 低初撑力状态模拟

根据实测单体支柱平均支护力为13.8 kN，采用UDEC进行了数值模拟，按单体支柱平均支护力为90 kN，采用UDEC进行了数值模拟。

2.2 UDEC模拟结果分析

从模拟结果可以得出，低支护力状态下，顶板离层，平衡结构形成的层位相对较低，当地质条件发生变化时，遇断层或特殊地质结构岩体时，容易出现顶板事故。高支护力状态下，平衡结构的层位相对较高，对工作面的影响也较小，工作面变形量也较小，工作环境大大改善。

采场围岩运移是一个动态的过程，动态过程有两层内容，一是随着时间变化的动态过程；二是随支护力不同而变化的动态过程。如图1所示为低支护载荷条件下围岩运移状态，支护顶板距平衡结构8～12 m，平衡结构对采场的影响较大，由于支护力过小，顶板易发生离层，支护状态差。如图2为合理支护条件下围岩运移状态，平衡结构下方岩层厚度为15～19 m，距离支柱较远，支柱上方顶板发生离层的可能性较小，采场处于安全状态下。

2.3 FLAC数值模拟结果分析

从FLAC数值模拟可以看出，工作面的支护初撑力大小对工作面围岩应力分布有十分显著的影响。低载荷，应力峰值和高应力范围均显著增大，而导致顶板剪应力区显著扩大。而高载时，顶板剪应力仅在煤壁上方很小的范围出现峰值。

剪应力从煤壁附近向控顶区上方顶板的扩展是导致顶板破碎的主要原因，而顶板破碎范围与支架载荷有关。

随支护载荷的增加，煤壁前方的支撑压力明显减少。煤壁前方顶板应力减少。由于支架载荷较低，煤壁前方垂直应力增加，控顶区上方剪应力集中程度增加，范围增大。

控顶区上方的顶板铅垂应力随支架载荷的增加明显改善。支护载荷的增加，导致和围岩应力降低，从而改善围岩控制，避免顶板破碎。

随着支护载荷的加大，位移矢量也有所改变。位移矢量由低载垂直位移变为高载的水平位移。即控顶区围岩的稳定性有所增强。

在主应力图中低载时，应力矢量比较紊乱，很不规则。而高载时，主应力矢量在煤壁上方的顶板岩层，指向煤壁前方，显示了煤壁前方的应力集中效应和压力拱效应。

综上所述，选择合理的支护载荷（即高载荷）对工作面的围岩控制是非常重要而且有利的（如图3～4）。