基于RFPA2D的采动覆岩离层生长规律的数值模拟研究

媛媛

(青岛理工大学 山东省地质环境与效应工程技术研究中心 山东 青岛 266033)

一、前言

煤矿开采过程中引起上覆岩层的移动，使围岩的力学性质发生了变化，导致应力、应变增加和能量积聚，从而诱发矿井动力灾害[1]，矿井动力灾害对人民群众的生命财产安全及国民经济的发展均造成了不可估量的影响。在其灾害的诱发因素中，采动覆岩离层的产生在很大程度上影响着上述灾害的发生。因此，研究上覆岩层离层的移动规律对煤矿开采具有重要的指导意义。本文采用RFPA数值分析软件进行相应的数值模拟分析。在覆岩离层分布规律的影响因素中，主要因素为地质条件和开采条件。在地质条件一定的情况下，离层的发展情况主要取决于其开采条件。离层开采条件主要为开采宽度与开采厚度，为此本文选取开采宽度及开采厚度两种因素来分别研究其对采动覆岩离层生长分布规律的影响。

二、数值模拟及其结果分析

(一)数值模型的建立。本文通过运用RFPA数值分析软件分别建立三个工况的二维模型，各工况模型均长300m，高150m，各工况煤层上方各地层分布及土层力学参数见表1，开挖均从距离该模型左边界100m处的煤层向右分4步进行，每次开挖15m。其力学参数：抗压强度10Mpa，弹性模量500Mpa，内摩擦角30°，泊松比0.25，密度2kg/m3。各工况的数值计算模型如图1所示。

表1 各工况地层分布情况表

图1 各工况数值计算模型图

(二)数值模拟结果及其分析。各工况计算步骤分析结果如图2、3、4所示。

图2 工况一(开采厚度6m)

由图2工况一可知：步骤一中工作面推进距离为15m时，煤层顶板悬裸形成的板梁结构在自重应力及上覆岩层施加的竖向荷载作用下发生弯曲沉降，由于开采空间较小，沉降不明显；步骤二中工作面推进距离为30m时，顶板弯曲沉降增大，煤层上方10m处第1条离层出现；步骤三中工作面推进距离为45m时，顶板弯曲沉降继续增大，原有离层宽度增大，在煤层上方17m与27m处分别出现2条新离层；步骤四中工作面推进距离为60m时，顶板发生塌落破坏，原有离层宽度增大，且向上扩展，47m处出现新离层，原有离层部分中间部位发生闭合。

图3 工况二(开采厚度8m)

由图3可知：步骤一中煤层顶板发生较小弯曲沉降；步骤二中顶板上方8m与15m处出现2条狭窄离层，离层数目多于工况一步骤二中离层条数；步骤三中顶板的悬裸范围加大，顶板沉降增大，原离层变长，顶板上方45m处出现1条新离层，最大离层高度高于工况一步骤三中离层高度；步骤四中离层继续向上发展，离层长度、宽度增加。

图4 工况三(开采厚度10m)

由图4可知：步骤一中煤层顶板弯曲沉降较小，离层未出现；步骤二中顶板上方6m与13m处分别出现2条离层，离层长度均比工况二步骤二中离层长度长；步骤三顶板的悬裸范围、弯曲沉降值和离层增长，煤层顶板23m处与43m出现新的离层，且呈扩展状态，离层长度均比工况二步骤三中离层长度要长；步骤四中离层继续发展，煤层顶板33m处出现1条新的离层，且处于起裂状态。

对比分析工况一、工况二及工况三可知：在地层条件一定的情况下，开采宽度较小时煤层顶板达不到破坏条件，顶板沉降较小，离层基本不发展。随着工作面、开采宽度的增加，离层发展加快，离层数目与生长高度都随之增加。地层条件、开采宽度一定时，随着工作面的发展，开采厚度、顶板沉降增大，离层的分布范围、生长高度持续发展。各工况均表明各层离层发展呈现不同步现象，总体上呈由下到上的变化规律。

三、结论

通过上述开采过程中覆岩离层发展规律数值模拟研究，可以得出以下结论：

(1)煤层开采后形成采空区，地层应力受到破坏，上覆岩层在应力作用下发生冒落、断裂、弯曲和下沉，由下向上逐步发展，导致相邻岩层弯曲，由于各岩层沉降速率存在差异，且弯曲沉降不同步，从而引起岩层在其层面上发生离层现象。

(2)离层随着工作面的推进而不断向前、向上发展，且离层发展呈现不同步现象，不同层位离层起裂的时间不同，故在同一时刻，各离层所处生长状态各不相同。

(3)离层发展规律受不同开采宽度的影响。开采宽度越大，上覆岩层在自重作用下的活动越剧烈，离层发展越迅速，离层数目与离层生长高度都随之增加。

(4)离层发展规律受不同开采厚度的影响。开采厚度越大，岩层顶板垮落下沉量越大，离层的分布范围越大，离层的生长高度也越高。

[1]李文增，李岐，马群.采动影响下覆岩破坏动态发展过程的数值模拟[J].金属矿山，2012，(9):37-40.