刘延利 刘启蒙 张周鑫

(安徽理工大学 地球与环境学院，安徽 淮南 232001)

0 引言

煤矿生产中煤层开采引起的上覆岩体变形破坏问题一直是与瓦斯、水害并列为三大主要问题，在我国各生产科研单位都对其进行专题研究并取得了很大的进展[1]，目前确定“两带”形态特征的方法主要有经验公式、物理模拟、现场测试以及数值模拟方法[2]，常规方法局限颇多；近些年发展起来的数值模拟技术被很好的应用到这一领域中[3]。本文运用有限差分软件FLAC3D模拟7131工作面煤层开采中上覆岩体变形破坏特征，实测数据表明此法在该例“两带”预测中效果良好。

1 工程概况

祁东煤矿一水平三采区7131工作面作为模拟对象，地面标高为+21m，工作面标高-393.8m～-471.7m；走向长1630m，倾斜长160m；煤层结构较简单平均厚3.0m，产状变化不大；倾角平均为12.5°。矿井范围内为一单斜构造，采用顶板全部垮落法机械化综采。煤层顶板为复合型顶板，直接顶板为深灰色泥岩或细砂岩，厚度不稳定。老顶为为浅灰色砂岩平均厚16m。其上泥岩类岩层平均厚约20m。粉砂岩平均厚12m。煤层底板为细粉砂岩。顶底板局部裂隙发育，富水性弱。

2 FLAC3D数值模拟

本次模拟通过有限差分计算模型建立与运行，命令流导出相关特性值图像，直观反映71煤层开采过程中上覆岩体移动、变形、破坏等特征。

2.1 模型的建立

地质模型的建立遵循综合全面因素、简化又反映实际，尺寸适合的原则。根据工作面特征，模型设计规格为200(X)*100(Y)*80(Z)，开采煤层厚度3.0m，埋深拟定为400m，煤层底板预留深度15m，上覆岩层62m，近水平模拟。模型如图1。

2.2 模型初始与边界

为尽可能的真实体现地下空间开挖情况，更好地进行受力特性模拟和塑性流动分析，需人为封闭单元体，定义左右边界为单约束边界，取u=0，v≠0(u为X方向位移，v为Y方向位移)；底部边界为全约束边界，取u=v=0；顶部为自由边界。

顶端施加等效荷载，即自重应力σz=γ·H式中，γ为上覆岩层重力密度取25kN/m3；H为模型顶界距地表的深度，本例中H为400，在水平方向上施加由自重力产生的侧向应力σx=λ·σy式中，λ为侧压系数，由 λ=μ/(1-μ)确定，μ 为泊松比，取值 0.3。

表1 岩体力学参数

2.3 本构模型与力学参数选取

本次研究确定煤系岩体的本构模型选取较为实用的莫尔-库仑塑性模型，判别准则采用莫尔-库仑屈服准则描述。模型中各煤岩层的力学参数实验室测定，见表1。

在未进行煤层开挖之前赋予全部属性，得到初始地应力平衡状态，反映原始地层未受扰动影响条件下原位应力分布情况，见图2所示显现了 σXX、σYY、σZZ三向主应力均值分布。

图1 模拟模型图

图2 初始应力平衡图

2.4 模拟计算结果与分析

本次计算开挖设计开挖步距为20m，共开挖5步计100m，沿模型走向开挖两端各预留50m作为保护煤岩柱，两侧煤岩帮各预设35m。

选取开挖40m和100m步长为典型代表，分别从塑性破坏、应力分布、位移变化三个方面来分析说明覆岩破坏随空间和时间变化的动态过程。

2.4.1 塑性破坏区模拟结果分析

随着工作面回采，煤层顶板相继出现不同程度的破坏，由下而上依次发育拉伸破坏和拉伸裂隙区可用于判断垮落带、裂隙带的发育高度。图3为工作面沿走向推进的覆岩塑性破坏场模拟结果。顶板破坏类型以剪切与拉伸破坏为主，在煤壁前方和工作面后方塑性破坏形成典型的“马鞍”型破坏特征；开挖到100m时图中显示出了5个步距时段塑性破坏区域的特征，对应着“两带”分布区域特征。

图3 塑性破坏图

2.4.2 应力场模拟分析

图4为工作面推进时的垂直应力场模拟结果。在煤壁的前方和工作面后方产生一定的应力集中的“凸”型应力带。随着工作面推进采空区被填充压实，前方形成超前移动的支撑压力，在每一步开挖中都形成一个类似于“步距”的应力带，至开挖到100m终止图中记录了5个填充步距的应力分布特征。大致可分为未受采动影响区、受采动影响区和受采动影响剧烈区。

图4 垂向应力分布图

2.4.3 位移场模拟分析

图5所示为位移变化量级分布图，从图中清楚地看出，顶板岩体随采位移变化特征，位移最大变化量始终在采空区正上方，两帮形成了对上支撑致使侧帮变形较小；随开挖推进而依次向前发展，采空区前方岩体的下沉梯度较后方大，形成非对称性分布随工作面推进距离而增加，而后方经压实使得下沉量逐渐趋于一致。总体上顶板位移变化呈现出移动拱形的特征。

图5 顶板岩体位移变化量级图

3 结论

通过数值模拟与分析，结合塑性破坏图与位移变化图，煤层开采上覆岩体塑性破坏总体上表现为“马鞍”型特征，应力的重分布为两端集中分布中间较小的类似拱形特征，位移场的变化体现出阶段性特征，每一步推进都表现为前方下沉较大于后方的不对称型分布。确定了7131工作面“两带”高度值为37.5～39m，基本与现场实测数值基本相符。在资料真实准确的情况下，数值模拟方法是可靠的。

［1］李增学，等.矿井地质学[M].北京∶煤炭工业出版社，2009.

［2］伟韬，武强，李献忠，等.覆岩裂缝带发育高度的实测与数值仿真方法研究[J].煤炭工程，2005，51(11)∶55-57.

［3］朱建明，徐秉业，朱峰，任天贵.FLAC有限差分程序及其在矿山工程中的应用[J].中国矿业，2000，9(4)∶78-81.