芦岭煤矿8煤层覆岩移动规律数值模拟

邹立强，陈仕刚，丁宏伟

（山东省煤田地质局第二勘探队，山东济宁272000）

芦岭煤矿8煤层覆岩移动规律数值模拟

邹立强*，陈仕刚，丁宏伟

（山东省煤田地质局第二勘探队，山东济宁272000）

煤层开采将引起原有应力平衡的破坏，导致覆岩的变形与破断，不利于矿井的安全生产。基于岩石损伤力学的基本原理，分析了覆岩变形失稳的条件。结合矿区钻孔99-4揭露的开采地质条件和岩石力学性能等参数，运用岩石破裂过程分析系统（RFPA2D）建立了力学模型。结果表明：覆岩中的离层面和纵向破断面的张开和闭合是一个动态演化过程；细中砂组合覆岩采动中直接顶基本是在工作面推进40m时发生离层破坏，而基本顶则是在工作面推进约65m时整体垮落，之后周期垮落步距10～15m。

煤层开采；覆岩失稳；移动规律；动态演化；数值模拟

煤层开采将引起上覆岩层应力重新分布，使之产生变形、破断和渗透变化等一系列复杂的工程地质作用过程。采用数值模拟的研究方法对上覆岩层的裂隙发育情况与其破坏规律进行的分析，目前国内外的研究角度较为全面，研究成果也较为丰硕［1-5］。其中对上覆岩层的结构研究中，各种梁理论的建立在时间上较早［6-8］。陈忠辉、马占国等人借助损伤力学的理论建立一个简单的力学模型或从时变边界的力学分析总结覆岩的移动破坏机理［9-10］。基于覆岩采动失稳条件的分析，并且利用钻孔对岩芯进行岩石物理、力学性质参数测定，在分析芦岭煤矿8煤层顶部岩石结构及力学性质特征研究的基础上，建立了以此为依据的力学模型，预期演绎出8煤层在真实开采的条件下上覆岩层移动与破断规律，依此利用既得规律特征有效规避采场顶板事故，为采场进行科学设计提供依据。

芦岭煤矿位于宿县矿区东部，宿东向斜西南翼的东南段。8煤层属于下石盒子组沉积，与上部煤层底板间距平均20m，下部煤层顶板平均3.5m，沉积岩则以砂岩、粉砂岩和泥岩为主。本次模型数据源为三水平一采区上的99-4钻孔，主要模拟位于井田中部F7～11-12线之间的区域，该区发育主要有斜切断层F40、FD17，根据断层分形理论计算［11］，其值为0.79248，相关系数为0.9776，因此相对构造比较简单。研究区顶板粒度自下而上变粗，基本顶细中砂为主，基本构成则是长石以及石英砂岩，其中大型楔形交错层理时有出现。

1　采动后覆岩失稳垮落的条件分析

采场覆岩破坏有很多类型，例如离层、冒落、层间错动，剪切破坏和塑性变形，块体移动、沿软弱结构面的滑动，岩爆、煤爆和片帮等，可以分为4种破坏机制：张破坏、剪破坏、结构体的滑落和转动［12-13］。

张破坏是煤岩张应变达到或者超过岩体的损伤阈值造成的，其理论公式为：

式中：εi（i=1，2或3）——岩体在重分布应力作用下i个方向上的张应变；

εi，0——岩体的极限张应变。

剪破坏的判据可用Mohr-Coulomb强度理论：

式中：τ——抗剪强度；

σ——法向应力；

C、φ——岩体的粘聚力和内摩擦角。

岩体应变的同时岩体内力会重新分布，然而岩体结构并不会随即变化，而是产生“梁”这种结构模型，其稳定状态的持续关键可能决定于岩层移动中形成离层区附近的几个岩块，在文献［13］中的“S-R”稳定条件分析即是对砌体梁的滑落与转动变形失稳条件的详细论述。

覆岩失稳垮落条件的建立与选用，比较系统的反映了覆岩在采动中的应力场的变化，为覆岩的失稳变形类型提供了依据，有利于对覆岩失稳破坏机理的分析与研究。

2　数值模拟模型

2.1数值模拟软件的选取

采场上覆岩层的运动是一个非常复杂的动态发展过程。由于覆岩材料存在着非匀质性，破坏的非连续性，力学行为的非线性等特点［14-16］，从而以往使用的模拟系统都存在着或多或少的局限性。东北大学岩石破裂与失稳研究中心开发的岩石破裂过程分析系统RFPA2D是利用有限元的理论基础，充分考虑了岩体的各向力学性能的不一致性，以各微小基元的参数通过宏观方式表现出来，对岩体的本构关系模拟较为具体。RFPA2D分析系统假定细观基元的力学性质服从某种分布，以物理统计方法描述其离散性，建立了细观与宏观介质力学性能的联系。因此采用岩石破裂过程分析软件RFPA2D系统会更真实的模拟覆岩采动的动态发展过程，更好的分析其变形破断规律、机理。

2.2覆岩岩石力学参数的测定

本次模型采用钻孔99-4的岩芯材料作为基本数据来源。表1是严格按照岩石力学试验规程，对8煤层上覆关键岩层进行力学性能进行测试的结果。根据测试结果泥岩抗压强度在7.6～32.5MPa之间，平均在25MPa，弹性模量在10.2～25.1GPa之间，平均在17.65GPa。粉砂岩抗压强度在51.9～107.1MPa之间，平均在79.5MPa，弹性模量在33.1～50.6GPa之间，平均在41.85GPa。粗砂岩抗压强度为131.4MPa，弹性模量为27.633GPa。

表1　数值模拟模型中各岩层的主要力学参数

2.3模拟模型基本数据

模型建立以无限接近相应区域的原始尺寸为原则，在水平方向上选用了280m，而在上下方向的选用上，采取了采动过程中短期可能够影响到的130m厚度，这样按1m×1m的基元划分将模型归为36400个基元的系统。另外，短期影响不到的上覆岩层根据地应力化为与之相应的载荷。为防止边界效应的影响，在模型的两端分别预置保护煤柱50m。近似模拟采煤过程，以2m采高、5m为步距分步分阶段向前推进。在边界的两端采用水平约束，而在边界的上部岩层可以存在水平滑动。岩层组合模型见如图1所示。

3　模型模拟煤层开采过程中上覆岩层的移动特点

在切眼开拓的瞬间，伴随着应力的重新分布（应力大小在模型中由亮度表示，亮度越大表示应力越大），当开挖近10m时，在采空区两端应力出现明显集中，而在采空区上部有限范围内亮度变暗，说明地应力有所减弱，底板影响不明显。当采空区跨度达30m时，直接顶内出现黑点，说明直接顶移动破坏开始。这是由于层间滑动引起直接顶的张性破坏，发生了直接顶的层间错动—离层—冒落（图2a-b）。

采空区跨度为40m时，直接顶陆续产生多处黑点，随着工作面的推进黑点进一步扩大，而且与上位岩层之间产生线状黑色区域。说明随着直接顶内部张力的不断发展促成了离层裂隙的出现，同时基本顶内部也出现了应力集中，逐渐发育有竖直方向的裂隙与离层裂隙，裂隙带继而出现。采空区跨度不断扩大，直接顶出现大面积的暴露，煤壁位置剪切应力持续加大，其上部出现明显裂隙。开挖至55m时，直接顶大面积的垮落，显然此时基本顶以“砌体梁”形式支撑着上覆岩层。另外，基本顶也逐渐移动下沉，裂隙进一步向上发展（图2c-d）。

图1　岩层组合数值模拟模型

图2　数值模拟结果

随着工作面的向前推进，基本顶内部裂隙逐渐贯通。采空区跨度达到65m时，基本顶向下移动速度加快，承载能力加速下降并最终破断，形成悬臂梁结构。此时采空区后方煤壁上部剪应力集中明显，随后整体垮落。采空区上部岩层协同垮落，裂隙急速向上扩展至75m左右（图2e）。基本顶初次垮落后，工作面继续推进时上部岩层移动速度和规模则相对稳定，然而工作面前方时变煤壁上方应力却逐渐变大，向前推进至75m时，基本顶上方又一次出现破断，但离层裂隙向上发育极为有限。之后基本顶变化又处于短暂稳定状态，并逐渐形成了稳定的冒落带（图2f）。基本顶垮落后，冒落带由于压实作用在采动过程中形成的裂隙又逐渐闭合。

4　结论

（1）煤岩开采过程中，采空区上方应力的不断变化造成局部应力集中，使上覆岩层发生移动和破坏。直接顶是由于张力作用产生竖向裂隙与离层，进而冒落。基本顶则是由于竖向裂隙的不断发展并逐渐贯通而形成的“砌体梁”结构，达到承载力上限引起破坏；在采动过程中，岩体的破坏结构面随着垮落稳定又逐渐闭合，因此离层面和纵向破断面的张开和闭合是一个动态演化过程。

（2）模拟结果显示了细中砂组合覆岩采动中存在的特点：8煤层模拟区域内直接顶每步开挖都会发生应力扰动，在40m步距时离层裂隙极为发育，达55m步距时冒落变得剧烈。基本顶的初次垮落步距为65m，周期垮落步距为10～15m。离层裂隙发育高度约75m左右，形成稳定的冒落带。

［1］Dziurzynski W，Krach A.Mathematicalmodel of Methane Emis⁃sion Caused by a Collapse of Rockmass Crump［J］.Archives of Mining Sciences，2001，46（4）：433-449.

［2］石必明，刘泽功.保护层开采上覆煤层变形特性数值模拟［J］.煤炭学报，2008，33（1）：17-22.

［3］王戈，鞠巍，石兴龙，等.工作面上覆岩层活动规律的数值模拟分析［J］.煤矿安全，2012，43（4）：146-149.

［4］乙体成，郑树权，王社新，等.东保卫煤矿大倾角煤层顶板活动规律与综采试验研究［J］.矿业安全与环保，2013（6）：50-53.

［5］陈爱和.综采工作面覆岩破断规律试验及高位钻孔参数优化［J］.矿业安全与环保，2014（5）：47-50.

［6］钱鸣高，刘听成.矿山压力及控制［M］.北京：煤炭工业出版社，1991：79-107.

［7］刘俊.基于板模型的顶板力学分析及应用［D］.徐州：中国矿业大学力学与建筑工程学院，2008.

［8］浦海，黄耀华，陈荣华.采场顶板X-O型断裂形态力学分析［J］.中国矿业大学学报，2011，40（6）：835-840.

［9］陈忠辉，谢和平，林忠明.综放开采顶煤冒放性的损伤力学分析［J］.岩石力学与工程学报，2002，21（8）：1136-1140.

［10］马占国，黄伟，郭广礼，等.覆岩失稳破坏的时变边界边界力学分析［J］.辽宁工程技术大学学报，2006，25（4）：515-517.

［11］汪宏志，孙林，胥翔，等.基于分形理论的芦岭煤矿8煤层顶板断裂构造复杂程度研究［J］.中国煤炭地质，2012，24（6）：22-25.

［12］隋旺华.开采覆岩破坏工程地质预测的理论与实践［J］.工程地质学报，1994，2（2）：29-37.

［13］钱鸣高.采场围岩控制理论与实践［J］.矿山压力与顶板管理，1999，3（4）：12-15.

［14］宋世杰，赵晓光，王双明，等.覆岩内砂岩层数对开采沉陷的影响分析与数值模拟［J］.矿业安全与环保，2014（5）：9-12.

［15］TANG C A，KAISER P K.Numerical Simulation of Cumulative Damage and Seismic Energy Release During Brittle Rock Failure［J］.Fundamental J.Int.Rock And Min.Sci.：Part I，1998 （2）：113-121.

［16］黄明利，唐春安.非均匀因素对I型裂纹扩展、相互作用影响的数值分析［J］.岩石力学与工程学报，2002，21（8）：1111-1114.

TD325

A

1004-5716（2016）04-0126-04

2015-03-30

邹立强（1986-），男（汉族），山东济南人，助理工程师，现从事地质工程和矿井地质方向研究工作。