基于RFPA—Strata的吴四圪堵矿岩层移动数值模拟

刘俊萍

摘 要：利用RFPA-Strata岩石移动分析系统软件分析吴四圪堵矿综放工作面开采过程中煤岩层移动和顶煤垮落规律，通过RFPA軟件数值模拟反演出该矿的顶煤冒落情况，归纳出了顶板煤层垮落规律，对煤矿的安全开采提供了重要的保证。

关键词：岩层移动；数值模拟；垮落规律

1 引言

吴四圪堵煤矿是一座年产240万吨的大型现代化矿井，可采煤层为6#煤层，平均埋深在270m左右，煤层为松软煤层，层理、节理裂隙发育。顶板泥岩岩层强度较低，上部煤层冒落后，泥岩层随之冒落；为了提高矿井的现代化水平，结合区域内煤层覆存特点，吴四圪堵煤矿采用综采放顶煤的回采工艺。由于该矿对其工作面开采过程中的围岩移动规律不是很了解，因此，从数值模拟的角度，运用RFPA-Strata探索其特有地质条件下综放首采工作面岩层移动和顶煤垮落规律为保证工作面高效安全生产具有重要现实的意义。

2 岩石移动过程分析RFPA-Strata系统简介

RFPA-Strata主要是面向岩土工程应用分析，可针对地下工程诱发的地表沉陷、岩层移动、巷道破坏、顶板冒落等工程灾害展开应力场、位移场及声发射模式（微震）的实时监测。[1]RFPA-Strata分析问题的流程如图1所示：

图1 RFPA-Strata分析问题的流程[2]

3 数值模拟方案设计

3.1 模拟条件

根据吴四圪堵矿煤层的赋存条件建立基本数值模型，设定有关参数进行数值模拟。数值模型采用平面应变分析，尽量减小边界情况的影响，模型尺寸水平方向设为100m，垂直方向50m，划分有限元单元数为：200×100个单元，模型与实体的比例为1：1000。本模型共分5层不同性质的岩层对吴四圪堵矿岩层移动及顶煤垮落规律进行模拟。岩层模型参数如表1所示。

表1 岩层模型参数

3.2 数值模拟计算

利用RFPA-Strata中的分步开挖功能，开挖步距为5m，开挖10步，共开挖50m，割煤高度3m，深度4.8m，相当于实际工作面1天的推进度。数值模型建立之后，在计算前对模型进行网格划分、参数赋值、边界条件和控制条件设置，然后进行开挖工作。每开挖一步，表示在工作面采一次煤，模型开挖就是模拟采煤的过程。数值模型如图2所示。

3.3 数值模拟结果

当煤层从开切眼开采后，煤层顶板随工作面不断向前推进，处于开切眼上方煤岩体开始破裂并逐渐向上延伸，如图3模拟顶煤垮落规律示意图。

图3 模拟顶煤垮落规律示意图

4 结束语

（1）利用RFPA对岩石移动及顶煤垮落规律进行数值试验，分析顶板变形破坏，具有较强的通用性、方便灵活等特点，为煤矿的安全生产提供重要的依据。

（2）在模拟过程中，当工作面推进19.2m时，顶煤开始破裂并逐渐向上延伸，当工作面推进24m顶煤出现初次垮落，垮落高度4m。

（3）当工作面推进28.8m时，采空区顶煤大面积垮落，垮落高度7～9m，9m厚煤层基本全部垮落，工作面后方顶煤随采随冒，冒高5m，煤层垮落角度开切眼侧47°，工作面煤壁侧45°。

参考文献

[1]唐春安，赵文.岩石破裂全过程分析软件系统川甲RFPA2D[J].岩石力学与工程学报，1997，16（5）.

[2]唐春安，王述红，傅宇方.岩石破裂过程数值试脸[M].北京：科学出版社，2003.