矿群采空区侧向围岩移动力学性质变化数值模拟分析

石兴国,韩永生,赵 斌

(乌海市万企景华煤业有限责任公司，内蒙古 乌海 016000)

矿山各种采矿活动遗留的采空区是阻碍矿山安全生产的主要灾害源之一[1]。采空区易发生静失稳、山体塌陷、地表塌陷、边坡滑坡，不仅造成大量人员伤亡，而且易形成矿渣流，破坏当地生态环境，严重影响安全生产，以及经济的可持续发展[2-3]。因此，获取准确的矿山基岩信息，开展安全可视化仿真研究，可为矿山基岩稳定性的研究提供真实的数据服务，也利于保障矿山安全生产活动。

静态围岩稳定性的分析方法很多，露天煤矿群采空区侧向围岩岩体的物理力学性质在很大程度上受岩体形成和改造的各种地质过程的控制，往往表现出非均质性、不连续性、各向异性和多相地质性质[4]。在宏观尺度上，不仅需要对靠点附近岩石系统的稳定性进行研究，还需从岩石的细观结构入手更有效。研究围岩系统因停站失稳而引起的围岩破坏及其演化[5]，该过程通过数值模拟技术实现。

数值分析的优点是能够对矿区的岩体进行定性分析，而且所用模型所包含的围岩类型更加详细准确，因此被广泛使用。本文在分析典型露天煤矿采空区的技术条件和岩石动力学特征的基础上，利用有限元数值模拟软件计算横向周边岩石运动和多次开挖扰动影响的变化，揭示了更多信息以及水平光采扰动采区围岩应力演化规律。

1 采空区侧向围岩移动数值模拟

1.1 模型建立

在矿石开采过程中用于直接采煤或有用矿物提取的工作区域通常称为静止表面。一般而言，直接顶板在煤层正上方具有一层或多层性质相似的岩石，通常由页岩、砂页岩或粉砂岩组成，具有一定的稳定性。有学者将岩心层定义为煤矿层中具有厚硬岩层的岩层[6]。

在矿石开采过程中，难免会从岩石或矿体中挖出一些道路、钻孔或塌方。这本身就是一个动态过程，不可避免地会导致内部应力的重新分配。周围岩石或矿体的状态，计算结果的准确性和可靠性取决于矿石开采模型的范围和单元划分。如果拥有太复杂的模型以及太多的单元，则无法达到所需的精度。一般而言，取3～5倍的开挖范围即可[7]。

主要建模工具使用3DMine三维矿业工程软件，构建包含矿区地表、柱状、矿石和围岩的三维模型，保存为STL文件格式，并与Comsol Multiphysics建立数据传输连接.。最后通过Comsol Multiphysics 软件实现矿石开采过程的数值模拟。露天煤矿采空区矿体及围岩数值计算模型长1 200 m、宽1 000 m、高330 m，边界固定。

这种模拟对解决方案来说是一个巨大的挑战，因为它涉及大量的空洞、道路和停靠点等，并且考虑到引入塑性构造模型或损坏构造模型，在常规计算机上根本无法实现。因此，本文对岩体破坏的准则，采用最大拉应力准则和Mohr-Coulomb准则，可表示为：

σ1>σB(-σ3≤0.5σc)

(1)

(2)

式中：σ1为第1主应力(拉伸为正，压缩为负)；σ3为第3主应力；σB为单轴抗拉强度；σc为单轴抗压强度；c为内聚力；φ为内摩擦角。

当岩石的某一特定应力分量超过断裂强度时，并不一定会造成损伤，不宜以对错来评价岩石。因此，评价基岩的稳定性，需要一个科学的指标，本文令风险因子为K，式(3)的参考值越大，越危险。

当K≥1时，默认为采场失稳。

(3)

1.2 岩体力学参数确定

岩石结构对挡块周围基岩稳定性的影响是导致坠落事故发生的主要影响因素之一。如果层状岩体中含有构成薄弱构造面、断层和破碎区、楔形节理面或其他不利组合的区域，则止挡的安全性和稳定性较差。如果岩石顶板的暴露面积过大，顶板中心的拉应力较大，则难免发生岩石断裂。

结构面坡度、轨道长度和间距组成岩石结构面的主要参数，概率函数决定参数值的生成。为了对露天煤矿群采空区侧向围岩移动进行数值模拟，概率函数的形状和参数首先需要确定。岩体宏观动力参数选取的合理性受数值计算结果的影响；由于受制于现场条件和技术，力学参数的测试难度很大。

通用工程以岩体试件试验为基础，综合考虑岩体的结构影响和工程实践[8]；采用现场点荷载试验和室内试验等方法，对岩体力学参数进行适当修正，确定岩石的力学参数[9]。结果表明，岩石的力学参数降低了三分之一；岩石试件的试验结果如表1所示。

表1 岩石力学参数Tab.1 Mechanical parameters of rocks

2 数值模拟结果及分析

2.1 应力场演变特点分析

图1 显示了露天开采后的初始应力场。

图1 初始应力场分布云图Fig.1 Initial stress field distribution nephogram

由图1可以看出，在露天矿转入地下开采之前，露天矿边坡比较稳定，基岩极限承载力的应力集中合理；在自重的作用下，压应力是主要应力。

z向(垂直)应力分布均匀，从表面向下逐渐增大，应力场呈平行条状分布，过于连续。大多数岩体的水平应力小于竖向应力，岩体处于剪应力状态，但极易造成剪应力破坏，使岩体的坡脚和围岩失去作用。坡度开阔，在主体的支撑下发生大面积牵引边坡失稳。

研究表明，露天煤矿群采空区侧向围岩壁容易出现围岩碎屑，安全生产需要对支护进行加固；在岩体中发现了顶板和板坯周围的岩体应力。 0.018 MPa的上板周围容易发生拉裂，导致死角和底部压应力非常小，岩体自由表面的增加减少了岩石的约束底板周围的质量并引起底板的一定程度的抬高。

2.2 充填体在不同充填强度下对围岩影响

在开采一定深度的矿体时，通常会在开采过程中填充某种物质。回填对围岩的各个方向位移都有影响，最为显著的是对竖向位移的作用[10]。该模拟方法将充填前后围岩的应力和位移变化与各种倾斜充填体的强度进行比较。

运用于数值模拟，应变值代表围岩受力。正应变值表示岩体处于张紧和松弛状态；负应变值意味着岩体处于压力和塑性状态。无论是处于松弛状态下的岩体，还是处于塑性状态下的岩体，其都有很差的稳定性。法向应力峰值与填充强度的关系如图2所示。

图2 不同充填强度条件下的竖直应力峰值Fig.2 Peak vertical stress under different filling strength

由图2可以清楚地看到，随着回填土强度的增加，围岩的峰值法向应力趋于降低。由此可知，随着回填土强度的增加，有助于提高围岩的稳定性。

图3显示了围岩的垂直位移受不同充填强度的作用云图。

图3 不同充填体强度时竖直位移变化Fig.3 The vertical displacement changes with different strength of fillers

由图3可以看出，随着回填土强度的增加，围岩的竖向位移趋于减小；顶底板竖向位移也减小，可见位移也减小，这有助于提高围岩的稳定性。但在实际的作业面，当增加填料强度时，成本和技术难度也随之增加；因此，在充填实际矿区时，可根据矿区的强度选择合适的填料强度。

2.3 采空区侧向煤体应力及位移

图4和图5为采空区侧向应力分布和位移曲线。计算坐标对应模型，x为0～45 m，纵轴为应力位移值。

图4 采空区侧向煤体应力曲线Fig.4 Lateral coal body stress curve of the goaf

图5 采空区侧向煤体位移曲线Fig.5 Lateral coal body displacement curve of the goaf

由图4和图5可知，最大应变超过1 m，应力降低区域在0～5 m, 峰值应力距煤壁约11.5 m。有30 m左右的煤壁内部应力集中影响范围， 超过3的峰值应力集中因子。应力拱的高度范围为模型基部至基顶以上岩层约40 m，宽约20 m的应力拱底部，向上逐渐变细，内部形成岩石结构,应力拱保护下方煤岩体的程度。

随着直接顶板加厚，煤层上方约20 m处的砾岩砂岩形成了基础顶板的砖石梁结构，顶板断裂线从直接顶板底部延伸至基顶，并向底部倾斜。在上部结构的保护下，低应力区为30 m，从煤壁边缘低应力区到波纹板内部。

3 结语

本试验研究露天煤矿群采空区侧向围岩移动数值模拟，对岩石参数取值难等问题进行深入研究。地应力环境和开采扰动引起的围岩复杂反应基于现场监测数据，结合实证分析和数值分析，对露天煤矿采空区进行了相关研究。本文的主要结论是：

(1)在露天煤矿群采空区侧向围岩移动中，应力集中的前后煤壁围岩附近造成岩石破碎，使采空区顶底板应力大大降低。在采矿作业中，应增强作业控制力度和数据支持，确保生产作业安全；

(2)充填强度增加、竖向应力降低、围岩垂向位移表明充填强度增加有利于围岩的稳定性；

(3)超载坍塌引起的应力集中有一定的作用范围，所以路边支座的砌体位置应保持在工作面后方一定的距离，避免动压对道路稳定性的影响。该距离允许侧面支撑在光空间方面避免上方岩石坍塌时的冲击程度。