考虑岩石应变软化的厚煤层综放开采覆岩破坏特征研究*

张彦宾　韦乖强　许国胜　许胜军

(1.河南理工大学能源科学与工程学院　河南焦作 454000；2.山东省煤田地质局第五勘探队　山东泰安 271000)



考虑岩石应变软化的厚煤层综放开采覆岩破坏特征研究*

张彦宾1韦乖强2许国胜1许胜军1

(1.河南理工大学能源科学与工程学院河南焦作 454000；2.山东省煤田地质局第五勘探队山东泰安 271000)

摘要为了分析裴沟矿31采区的煤炭开采对上部魔洞王水库的影响，以及评价水体下开采的安全性，首先分析了岩土体材料在三轴压缩试验中表现出来的应变软化现象，认为岩石峰后的软化能够说明覆岩破坏后的力学特性；然后介绍了FLAC3D中应变软化模型；最后分别建立Mohr—Coulomb理想弹性模型和应变软化模型的数值模型，针对工作面推进过程中覆岩移动破坏的特征以及顶板导水裂隙带发育规律，分析了两者计算结果的差别，计算结果表明：应变软化模型对覆岩移动破坏特征的计算更加准确，能够说明工作面推进过程中覆岩移动规律，通过其计算得到的导水裂隙带高度的预计对水体下采煤的安全性评价有一定的参考价值。

关键词应变软化厚煤层覆岩破坏特征导水裂隙带数值模型

0引言

煤层的开采打破了地下煤岩体相对稳定的原始地应力状态，在采空区周围空间围岩应力状态重新分布的过程中伴随着岩体的变形破坏[1]，然而岩石是一种非均质材料，内部含有随机分布的空隙、空洞、界面等缺陷，其应力应变曲线表现出复杂的现象。岩石在应力达到峰值强度之后，随着变形的继续增加，其强度迅速降到一个较低的水平，这种由于变形引起的岩石材料性能劣化的现象称之为“应变软化”[2]。

国内学者对岩石的应变软化做了大量的研究，其中周家文等[3]通过数值试验分析对比了Mohr—Coulomb弹塑性模型和应变软化模型的应力应变关系，并且采用应变软化模型对两家人水电站的地下洞室开挖的稳定性进行了评价；何忠明等[4]运用FLAC3D的岩土体应变软化模型，分析了金属矿矿床的开挖，采场顶板的破坏高度；张强等[5]考虑到岩土材料的应变软化行为，基于平面应变和应变软化弹塑性模型构建了圆形巷道的应力解析解，对地下工程支护设计提供理论依据。目前对于岩石应变软化的研究大多应用在隧道工程方面[6-7]，国内学者运用数值方法求解覆岩移动变形的也较多[8-11]，但应用应变软化模型来研究煤矿开采引起的覆岩移动的案例较少。

本文首先对岩石加载过程中峰值前后的应力应变变化曲线进行分析，并对Mohr—Coulomb理想弹塑性和应变软化模型对比，然后介绍FLAC3D数值模拟软件中应变软化模型的计算原理，进而运用该数值软件对裴沟矿工作面开采引起的覆岩移动特征进行分析，通过模型塑性区的发育高度来得到覆岩导水裂隙带发育高度，最后通过和经验法得到的导水裂隙带发育高度对比验证，以此来指导水体下安全开采的实践工作。

1岩土材料应力—应变曲线及应变软化模型

文献[12]通过对江边水电站的大理岩岩块的三轴压缩试验得到了岩石全应力-应变曲线，如图1所示。

图1　大理岩三轴压缩试验全应力-应变曲线

从图1中可以看出，根据峰值前后和残余强度的曲线特性，整个全程曲线可分为峰前非线性阶段、峰后软化阶段和残余强度阶段。

残余强度阶段：当岩土体材料发生应变软化以后，岩土体材料的强度随着与塑性变形相关的塑性软化参数的增加而降低。当塑性软化参数小于某一定值时(如图1中D点对应的塑性应变εp)，岩石应力-应变曲线进入残余强度阶段，岩石强度参数(黏聚力、内摩擦角等)为残余值[6]。

由上述分析可知：在软化的过程中，岩石的强度参数(黏聚力、内摩擦角等)随塑性应变的增加而发生变化。FLAC3D正是基于上述的应变软化的特性而实现数值计算的，FLAC3D的应变软化模型的剪切流动法则采用不相关联准则，拉伸流动法则采用相关联准则，屈服准则则采用莫尔-库伦屈服准则。在应变软化模型中，用户预先定义单元的强度参数，例如黏聚力、内摩擦角和剪胀角，并且根据硬化参数的分段线性函数而发生改变[13]。

2工程概况

郑煤集团裴沟矿采用立井多水平的开拓方式，矿井核定综合生产能力为2.05 Mt/a。31采区位于裴沟煤矿的东部，区内共划布置31131、31111、31091、31071、31051、31031、31011工作面。采区地面魔洞王水库[14]建造于1958年，属于小(二)型水库，水域面积约63 060.67 m2，水库平均水深3.13 m，魔洞王水库储水量约197 341 m3。水坝坝体结构为土质结构。魔洞王水库与31采区工作面位置如图2所示。

图2　裴沟煤矿31采区工作面和魔洞王水库位置图

由上述可知，郑煤集团裴沟矿31采区上部存在地表水体，在开采前必须进行水体下采煤的安全性分析，若导水裂隙带发育至水体时则会造成矿井突水、溃沙等严重的安全生产事故。所以导水裂隙带发育高度的确定对于安全生产具有重要的指导作用。

3数值模型的建立

数值模型以31采区首采面31071综放工作面为原型，沿煤层走向将研究区域概化为平面应变模型，以此来研究在充分采动的情况下，受采动影响上覆岩层导水裂隙带发育高度。模型长度取1 000 m，煤层埋深取300 m，煤层底板取30 m，二1煤层厚度为8 m。模型四个侧面采用法向位移约束，顶部施加上部覆岩载荷，底部采用固定约束。

根据所提供的岩层综合柱状图与相关的岩石力学性能试验结果，选取有关参数如表1所示。

表1　岩石物理力学性能参数

4数值计算结果与分析

本文分别采用Mohr—Coulomb理想弹塑性模型和Mohr—Coulomb应变软化模型对煤层进行分析，模型采用分步开挖来实现，分别为工作面推进20、40、80、120、140和160 m。以采空区周围塑性区的变化过程来分析随工作面的推进上覆岩层的移动破坏规律和导水裂隙带发育高度，如图3所示。

(a1)　20 m(弹塑性)　　　　　　　　　　　　　(a2)　20 m(应变软化)

(b1)　40 m(弹塑性)　　　　　　　　　　　　　(b2)　40 m(应变软化)

(c1)　80 m(弹塑性)　　　　　　　　　　　　　(c2)　80 m(应变软化)

(d1)　140 m(弹塑性)　　　　　　　　　　　　　(d2)　140 m(应变软化)

(e1)　160 m(弹塑性)　　　　　　　　　　　　　(e2)　160 m(应变软化)

由图3(a1)和图3(a2)可知，工作面推进20 m后，由于岩体原始地应力场遭到破坏，采空区顶板发生断裂、垮落，采空区周围岩体产生拉伸和剪切塑性变形。但是，应变软化模型的塑性区范围要大于弹塑性模型的范围。

对比图3(b1)和图3(b2)的塑性区范围得到：应变软化模型在工作面推进40 m的条件下，直接顶的塑性区范围大于弹塑性模型的塑性区范围，且其塑性区发育到了直接顶，说明随着工作面的推进，直接顶垮落后，基本顶处于悬露状态，岩体损伤不断累积。

通过图3(b1)、图3(c1)和图3(d1)可以发现，随着工作面的推进，采空区周围岩体的塑性区不断扩展，其中塑性区竖直高度不断增加，但其宽度则不变。但通过图3(b2)、图3(c2)和图3(d2)可以对比发现，在塑性区竖直高度增加的同时，塑性区宽度也在增加，说明了随着采空区面积的增大，上覆岩层受采动程度增加，围岩变形破坏的深度增大。

从图3(d1)和图3(e1)可以发现，弹塑性模型条件下随工作面推进，上覆岩层的塑性区发育高度稳定63 m，由图3(d2)和图3(e2)可知，应变软化模型的上覆岩层塑性区发育高度稳定在76.12 m。说明应变软化模型计算到围岩影响范围要比弹塑性模型的要大。

对于本文数值模拟得到的导水裂隙带高度的验证主要参考“三下”规程[15]和文献[16]中关于中硬覆岩的导水裂隙带经验公式。计算公式及结果如表2所示。

表2　覆岩导水裂隙带高度计算值

由表2可知，运用应变软化模型求得的导水裂隙带发育高度在“三下”规程和文献[16]计算公式区间内，具有一定的可靠性。而弹塑性模型得到的覆岩导水裂隙带高度偏小，不利于指导水体下安全开采工作。

另外从图3(e2)中可以发现，应变软化模型模拟的导水裂隙带形态呈中间略低两端高的马鞍形，这与许多文献[17-19]中通过现场实测得到的导水裂隙带发育形态是一致的。说明应变软化模型在模拟上覆岩层变形破坏的效果要优于弹塑性模型。

5结论

通过对岩土体材料的Mohr—Coulomb弹塑性和应变软化模型对裴沟矿覆岩导水裂隙带发育高度的模拟研究，得到以下结论：

(1)通过比较分析岩块的三轴压缩试验的应力-应变曲线，认为采用弹塑性模型不能反映岩石的峰后力学参数减小的现象，而应变软化模型更能反映岩石峰后软化，残余强度阶段的相关力学特性。

(2)分别通过对弹塑性模型和应变软化模型在工作面推进过程中，模型塑性区的发育规律进行对比分析，认为两者的塑性区在工作面推进过程中不断发育，并在140 m时趋于稳定；不论是在高度上还是宽度上，应变软化模型的开挖影响范围要大于弹塑性模型的影响范围。

(3)利用相关文献的经验公式计算得到的覆岩导水裂隙带高度，对弹塑性和应变软化模型进行分析：认为弹塑性模型得到的结果偏小；而采用应变软化模型得到的覆岩导水裂隙带高度和发育形态更趋于可靠，采用应变软化模型来指导工程问题更安全。

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*基金项目：煤炭联合基金重点支持项目(U1261206)，国家自然科学基金(51374092)，河南理工大学博士基金资助项目(B2014-056)。

作者简介张彦宾，男，河北邢台人，讲师，博士，从事煤矿岩层控制与特殊开采方面科研和教学工作。

(收稿日期：2015-04-30)

Overburden Failure Characteristics with Caving Mining of Thick Coal Seam Considering Strain Softening

ZHANG Yanbin1WEI Guaiqiang2XU Guosheng1XU Shengjun1

(1.InstituteofEnergyScienceandEngineering，HenanPolytechnicUniversityJiaozuo，Henan454000)

AbstractIn order to analyze impacts caused by mining of 31 mining area of Peigou coal mine for Modongwan reservoir, as well as evaluate safety of mining work under water, firstly this paper analyzes phenomenon of the rock material strain softening in triaxial compression test, manifesting that peak rock softening can explain the mechanical properties after overburden failure; then the strain softening model in the FLAC3Dsoft is introduced; finally ideal elastic-plastic and strain softening model of Mohr-Coulomb model are established for promoting the process of overburden rock face moves damage characteristics and development law of water flowing fractured zone, in which the differences between the two calculations are analyzed and the results show that: the strain softening model for moving overburden failure characteristics calculation is more accurate, can explain the process of face advance strata movement and height of water flowing fractured zone through calculating with strain softening can provide references of safety for mining under water.

Key Wordsstrain softeningthick seamsoverburden failure characteristicswater flowing fractured zonenumerical model