急倾斜煤层顶板垮落过程的RFPA数值模拟研究

温彦良，常来山，张宏伟

(1.辽宁科技大学 资源与土木工程学院，辽宁 鞍山 114051;2.辽宁工程技术大学 资源与环境工程学院，辽宁 阜新 123000)

急倾斜煤层储量占我国煤炭总储量的4%，而南方地区80%的矿区赋存有急倾斜煤层[1]。由于煤层倾角大、赋存不稳定，急倾斜煤层开采方法一直是采矿技术中的难题。现有研究结果表明，急倾斜煤层的顶板垮落和矿压显现特征[2-3]明显区别于缓倾斜煤层，岩层的破坏特征和顶板的来压情况具有其特殊性。因此，深入研究急倾斜岩层顶板的破坏特征，对于矿山的安全生产有着很重要的指导意义。以长沟峪矿15槽煤层为例，采用RFPA数值模拟手段，对急倾斜煤层顶板垮落过程中的岩移规律和矿压显现规律，进行了动态模拟研究。

1 煤层概况

长沟峪矿15槽煤层位于超岭向斜的东南翼，单斜构造，起伏变化较大,煤层总体走向北东5°。倾角55°～倒转60°；煤层厚度变化较大，1.5～4.5m，平均厚度3.5m，15槽煤老顶为龙门组砾岩；直接顶为细砂岩或粉砂岩；底板为粉砂岩。

由于房山花岗岩体的大面积侵入，形成东西方向的主压应力，煤岩石受到强烈挤压，煤层结构受到破坏，煤质松散，极易塌冒，煤炮现象比较严重，顶底板压力较大。

2 RFPA顶板垮落过程模拟

岩石破裂全过程分析软件系统RFPA2D [4]，基于有限元的基本理论，将非均质参数引入到计算单元中，可以按照韦伯分布来对单元的弹模和强度等参数赋值，并对破坏单元进行刚度退化处理，故可以连续介质力学方法处理物理非连续介质。因此，实现了对岩石破坏及变形的从微观到宏观破坏过程的模拟。

模拟中采用分步开挖的方式，允许由于分步开挖引起的应力重新分布对进一步变形和破坏过程的影响破坏，使得模拟地下开采过程中伴随的破坏过程更接近于实际情况。

2.1 模型建立

RFPA数值计算中，模拟的实体长度和深度范围为300m×500m，模型长度划分200个单元，高度划分250个单元，单元总数为50000个。模型与实体的计算比例尺为1∶1500。由于煤系地层是由沉积物形成的，具有明显的“成层性”，同时由于地质构造及物理性破坏的影响，使得岩体内出现了层面、断裂、节理等不连续界面。这些不连续面的存在，对于采动以后上覆岩层破影响巨大。因此，为了使模拟效果更接近实际，顶板岩层中加入了若干弱面单元。

2.2 煤岩体物理力学指标确定

通过室内试验的方式，对15槽煤层及顶板的视密度、单向抗拉强度、单向抗压强度、弹性模量、泊松比、凝聚力、内摩擦角等进行了测试。测试结果见表1。然后，根据Hoek-brown准则折算得出煤岩体的物理力学指标，作为模拟中的参数赋值。

表1 煤岩物理力学指标

2.3 顶板垮落动态仿真模拟

模拟之前，应对模型进行边界条件和计算条件设置。煤层开挖问题，可以简化为平面应变问题来考虑，同时对模型两侧进行位移约束。模拟过程中，只考虑自重应力。

采煤过程可以通过模型开挖功能实现，每开挖一步，表示采一次煤。模拟中，一次开挖步长确定为3m，总共开挖20步，长度60m。在计算过程中，计算机自动按所给步长进行开挖，每开挖一个步长，机器就自动进行解算一次。当算至没有破坏单元时，再自动开挖一步，然后再自动解算，直至将所有给定的开挖步算完为止。

当煤层从开切眼开采后，其顶板不是以直接顶-老顶-上覆岩层为垮落顺序，而是随煤层不断向下开采，处于开切眼上方煤岩体开始出现拉伸破裂并逐渐向上延伸。当煤层开采21m时，顶板岩体出现破裂并随采动向上发展；当煤层开采至27m时，工作面上覆岩体突然出现较大范围的受拉破坏，并与开切眼上方煤岩体贯通，在工作面上方形成一个漏斗形破碎区，这个破碎区随煤层开采而下落，回采工作面出现老顶初次来压；当开采至36m时，工作面顶板出现裂隙扩展，即将出现周期来压，但范围较小，同时，随着采深的加大，煤层底板也开始出现相应破坏。

模拟过程图的灰度值，可以表示顶板垮落前后工作面煤体的支承压力变化。当煤层从开切眼开始开采后至顶板垮落前，开切眼上方附近煤体及顶底板、工作面下方附近煤体及顶底板处于支承压力升高区，而且支承压力升高区的范围，随开采长度加大而增大。开切眼至工作面间的煤层顶底板处于减压区，由于煤层倾角较大，减压区在水平方向上范围较小。

利用RFPA系统多单元信息功能，提取顶板上方10m处岩体的应力值。图中深蓝色表示剪应力(Shear)，绿色表示最大主应力(Max)。可以看出，回采工作面顶板岩体支承压力，随煤层开采时顶板冒落范围增大而降低，

3 结 论

(1)应力分布规律

当煤层开采后，顶板岩体出现破裂并随采动向上发展，之后在工作面上方形成一个漏斗形破碎区，这个破碎区随煤层开采而下落；开切眼上方煤体及顶底板、工作面下方煤体及顶底板处于支承压力升高区，支承压力升高区的范围随开采长度加大而增大。开切眼至工作面间的煤层顶底板处于减压区，由于煤层倾角较大，减压区在水平方向上范围较小。工作面顶板岩体支承压力，随煤层开采时顶板冒落范围增大而降低。

(2)能量分布规律

工作面上覆岩体的破坏。在岩体变形逐渐积累的条件下，突然出现较大范围的受拉破坏，之后又趋于相对稳定。这说明急倾斜煤层开采过程中，随着工作面的推进，老顶会产生初次来压；但周期来压时，来压步距和影响范围较小，矿压显现不明显。

[1] 谢东海，冯涛，赵伏军.我国急倾斜煤层开采的现状及发展趋势[J]. 科技信息，2007，(14):211-213.

[2] 伍永平，员东风，张淼丰.大倾角煤层综采基本问题研究[J].煤炭学报，2000,25(5)：465-468.

[3] 方伯成.大倾角工作面矿压显现分析[J].矿山压力与顶板管理，1995,12(3/4)：26-30.

[4] 唐春安，赵文.岩石破裂全过程分析软件系统RFPA2D[J].岩石力学与工程学报，1997,16(5)：507-508.