开采覆岩运动特征及动力响应的数值模拟研究

赵亚军,张继高

(河北工程大学，河北 邯郸 056038)

煤炭开采所引起的采动,在采场中会产生矿压显现。地表移动是煤层开采后覆岩移动由下往上逐步发展到地表的结果。覆岩岩性与组合对地表沉陷的动态过程与沉陷盆地特征有显著影响。山西某煤矿在井田西南部大部分区域开采煤层上覆地层中，含有一层厚岩浆岩，该岩浆岩层致密坚硬，整体性好。当在小范围非充分采动时，厚岩层依靠自身强度和刚度可以形成自撑结构。煤层开采后由下至上形成的冒落带和裂隙带发展到该巨厚岩浆岩后被阻隔，从而使上部岩层的弯曲变形非常小，致使“三带”发生变异(图1)。随着开采范围的增加，厚岩浆岩层内的应力逐渐积累，离层空间加大，当开采引起的弯曲应力达到和超过岩浆岩层自身强度极限时，或岩体内的断裂结构引导，巨厚岩体产生突发性断裂和大面积垮落，有可能引发地质灾害。为保证矿井安全生产，必须搞清楚巨厚岩浆岩下部开采时覆岩的运移规律及其动力响应。

图1 开采覆岩“三带”发生变异示意图

1 有限元模拟计算

1.1 有限元计算模型

计算模型计算范围横向为3100m，纵向900m，如图2所示。其范围内的地层经过多年的工程地质钻探和野外现场测绘，断层分布和优势节理分布以及碎裂结构岩体的不连续面等都基本清楚，有室内流变剪切试验、现场大块体试验原位直剪试验以及室内大三轴试验，取得了较为准确的弱层强度、岩块强度及节理岩体强度。

图2 有限元计算模型示意图

模型块体的本构关系采用莫尔-库仑准则，节理面的本构模型选用面接触的库仑滑移模型。模拟开采深度-730m，距边界510m处设置开切眼，模拟开挖长度为2100m，开挖推进步距为110m，煤层假设为水平煤层，厚度为11m，采用一次采全高方案。煤层直接顶为56m砂岩，其上分别为粉砂岩37m、泥岩36m、砾岩42m、细砂岩264m，距煤层顶板428m处是117m厚的岩浆岩，岩浆岩上为194m表土层。

1.2 计算参数的选取

岩体的力学参数见表1。

表1 岩体的力学参数

计算参数对离散元非线性模拟结果的准确性至关重要。刚度系数两个块体接触，当弹性模量为E，泊松比为μ，则法向刚度系数Kn为：

Kn=(Ea)/2b

式中：a，b为块体的尺寸。切向刚度系数Ks可由法向刚度系数Kn求得：

Ks=Kn/[2(1+μ)]

在离散单元法分析中，刚度系数作为传力，只有选用足够大的刚度系数才能保证计算结果的准确和稳定性。计算时节理参数如表2。

表2 计算时节理参数表

1.3 计算结果分析

由于岩浆岩这种特殊岩层的存在，使采空区上覆岩层的运动规律发生变异，所以选取岩浆岩层作为主要研究对象，对其进行模拟分析，得到结果如下。

1.3.1 位移场变化特征

模型从开切眼开始推进，分别在不同标高设置监测线，监测竖向位移。-720监测线下沉曲线如图3所示。

1.3.2 位移矢量场变化特征

开挖500m位移矢量图如图4所示。从图4可以看出，岩浆岩下部覆岩移动规律基本上不受岩浆岩的影响，直接顶冒落后，上部岩层出现裂隙并发生弯曲下沉，位移增大是缓慢的过程，并且其移动规律也是非线性的，距离顶板越近，下沉量越大，其余监测点也出现整体下沉的现象。上覆岩层有向采空区移动趋势。岩浆岩层在第一次出现破断现象后，导致其位移突然增大，并且位移增大速度较大，位移变化量也较大。岩浆岩发生第二次破断时，位移增大速度较小，说明其为一个缓慢下沉的过程，对下部岩层的影响较小。上部第四系粘土岩位移变化规律与岩浆岩层相似，表明其位移变化主要受岩浆岩层控制。

图3 标高-720m监测线位移下沉变化曲线

图4 开挖500m位移矢量图

1.3.3 应力场变化特征

通过模拟计算,得到不同开挖步岩体内部的应力分布图，开挖至 500m 时的最大主应力分布图如图5所示。

由图5可以看出：采空区两帮岩体处于较高的应力状态，采空区上方由于岩体垮落，应力得到释放，应力比较小。垮落带上方出现主应力增大的区域，这是由于形成多个“压力拱”，“压力拱”承担主要承力体，并沿着拱形椭圆区域把上覆岩层的应力、荷载传递到采空区两帮。上部的缓慢下沉带主应力较小，并且比较平均。岩浆岩层的主应力比较大，大部分35MPa到40MPa，但是主应力较大的区域局限于采空区上方，范围比较小。

图5 开挖500m局部最大主应力分布图

2 结论

通过对研究区域开挖过程的离散元数值模拟，得到如下结论:

1) 岩浆岩层在整个覆岩移动过程中起主导作用，岩浆岩下部岩层遵循“三带”移动规律，岩体冒落、裂隙、弯曲下沉比较明显。

2) 岩浆岩层应属于弯曲下沉带，但由于其本身特殊的力学性质，使岩层移动发生变异。在开挖过程中岩浆岩层与下部岩层之间出现较大的离层空间，随着工作面的推进，岩浆岩首先出现分层，然后突然发生破坏，对下部岩体产生冲击，同时离层逐渐闭合，与下部岩层出现有效的荷载传递，致使下部岩层应力突然增大，此后岩浆岩层进入比较稳定状态，随后岩浆岩层发生整体运动。岩浆岩层在破坏过程中，竖向位移突然增大，上部表土层受其影响，位移随之增大。岩浆岩层在整个开挖过程中对覆岩移动、应力变化及地表沉降都起控制性作用。由于岩浆岩层一直处于较高的应力状态，在破坏过程中释放大量的能量，对整个采场产生比较大的影响，极易发生重大事故。

[1] 钱鸣高,缪协兴,许家林.岩层控制的关键层理论[M].徐州:中国矿业大学出版社,2000:17-18.

[2] 钱鸣高.矿山压力及其控制[M].北京:煤炭工业出版社,1983:58-77.

[3] 何国清,杨伦,凌庚娣,等.矿山开采沉陷学[M].徐州:中国业大学出版社,1991.

[4] Chudek M,李德海.开采工作面推进度对地表变形速度的影响[J].焦作矿业学院学报,1993,30(1):64-74.

[5] 王悦汉,邓喀中,吴侃,等.采动岩体动态力学模型[J].岩石力学与工程学报,2003,22(3):352-357.