陈 峰，潘一山，钟 勇

(1.长春建筑学院，吉林长春 130000;2.辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁阜新 123000;3.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110819)

矿山动力灾害包括矿山开采与地下工程活动诱发的冲击地压、煤与瓦斯突出、突水等，是煤矿开采过程中常见的工程诱发灾害。这些矿山动力灾害都是矿山开采过程中的覆岩应力场扰动所诱发的地质环境劣化过程灾变的结果［1-2］。矿井开采活动中引起上覆岩层的移动，使围岩的力学性质与未受采动前相比发生了根本性的变化，打破了原始的应力平衡，围岩的应力状态重新分布，达到新的平衡状态，导致应力或应变增加和能量积聚，从而诱发矿井动力灾害［3-4］。矿井动力灾害严重威胁矿工生命与国家财产安全，也严重制约我国能源发展战略的有效实施，因此，模拟上覆岩层的移动破坏规律对煤矿开采具有重要指导意义。

目前在岩石力学中进行地下结构围岩破坏的研究主要采用的计算方法:边界元法、有限单元法、离散元法等，在这些方法中多数视研究对象为均匀、连续的介质，而试验和工程实际均表明岩石类材料非均匀性对围岩破坏的影响至关重要［5-6］，本文应用的真实破裂过程分析软件(RFPA2D)的计算方法正是通过考虑岩石的非均匀性，将复杂的宏观非线性问题转化成简单的细观线性问题，并引入数学连续物理不连续的概念，将复杂的非连续介质力学问题转化成简单的连续介质力学问题，使得计算更加真实准确［7-8］，而且该软件适用于岩土工程的应用分析，可针对地下工程诱发的地表沉陷、岩层移动、巷道破坏、顶板冒落等工程灾害展开应力场、位移场及声发射模式(微震)的实时监测［9-10］。

1 数值模型建立

本文采用真实破裂过程分析软件(RFPA2D)进行数值模拟，根据平顶山十矿的水文地质条件建立平面应变数值计算模型，该矿位于平顶山矿区东部，井田内有多组含煤地层，其中戊8煤层的平均厚度为2m，赋存比较稳定，煤层结构简单，工作面有效走向长度915m，倾斜长 204m，煤层倾角 4°～6°，平均采深为500m。取采场的纵剖面作为计算区域(图1)。模型沿水平方向取200m，沿垂直方向取50m，煤层厚2m，煤层的赋存深度为500m，网格划分为100×400=40000个细观基元，单元服从Weibull分布。模拟开采时，采用先加载后开挖方式，从模型左侧距边界50m处开挖，每步开挖5m，共开挖10步。各岩层的物理力学参数见表1。

图1 数值模拟的力学模型Fig.1 Mechanical model of numerical simulation

表1 岩层力学参数Table 1 Mechanical parameters of strata roof

模型加载方式:水平方向采用位移约束，位移约束值为零;垂直方向底面固定，顶面受到均布荷载。设定模型上部岩层的平均自重为25kN/m3，则模型上部受到的恒定载荷σ=λh=25000×500=12.5MPa，并考虑整个模型的自重。建模时对力学性质相近的岩层做了合并处理，并在每两岩层之间加强度很小的节理，基元的相变临界点用修正后的Coulomb准则。

2 数值计算分析

2.1 覆岩垮落过程

由于煤体上覆岩层中节理和层理的存在，煤体上覆岩层不会随工作面的推进形成结构破坏，而是产生破裂，导致冒落。煤层开挖以后，直接顶岩梁的中下部和两端的应力集中为拉应力集中如图2(A)～(C)所示，当拉应力超过直接顶的极限抗拉强度时，首先在岩梁的中下部和岩梁两端的上部产生裂隙，如图2(D)所示。由于受到开挖引起的卸荷膨胀变形的影响，开挖煤层上的第一层顶板在中部产生离层，如图2(E)～(F)所示，由此可见，直接顶的破断机理为拉破坏。而后当工作面向前推进时，顶板岩梁在重力的作用下弯曲下沉，使离层进一步扩展，直接顶首先在端部产生断裂，如图2(G)。随着工作面的继续推进，老顶也首先在岩梁的中部产生离层，如图2(H)，同时岩梁的两端和中部的拉应力致使其产生损伤累积，当损伤累积达到一定的程度后，首先在岩梁的端部出现宏观裂纹，如图2(I)所示。当工作面继续向前推进，老顶断裂完成，并开始回转，下沉运动，而后触矸，以后随着工作面不断推进，老顶呈现出周期性破断现象，如图2(J)～(L)所示。

图2 煤层采动模拟效果图Fig.2 Simulation result of mining procedure

通过上述破坏运动过程及破断机理的分析可以看出，沿厚度方向向上，遵循自下而上的运动顺序:岩梁在重力的作用下弯曲沉降，发生离层后在运动中重新组合成同时运动(或近乎同时运动)的“假塑性”传递岩梁［11-15］，当沉降值超过允许的限度即发生冒落。在推进方向上，随着直接顶的冒落，当达到极限跨距时，老顶将产生断裂，下沉回转运动、触矸，最终形成稳定的结构。随着工作面的推进，顶板出现离层和中部、端部断裂均为拉破坏所致，因此顶板的离层、顶板的中部断裂和在煤壁处的端部断裂均符合拉破坏判据，只有当层面深入煤岩层内部产生错动和深入到煤层内部产生断裂时［16-18］，才呈现一定量的剪破坏。

2.2 支承压力的分布规律

图3为采场覆岩支承压力分布情况。从图中可以看到，随着工作面的推进，煤层上的支承压力是动态变化的。开挖后，出现明显的支承压力集中区。随着开采的进行，在工作面前方形成的支承压力峰值是逐渐增加的，并且极值点位置不断前移。在采空区后方煤层上的支承压力峰值的位置几乎保持不变。

图3 支承压力分布图Fig.3 Distribution of abutment pressure

(1)随着采场工作面的推进到5m，原岩应力状态收到扰动，引起采空区围岩应力重新分布，在开切眼和前方支撑煤壁处出现应力集中，最大主应力34.7MPa。

(2)随着采场工作面的推进到10m，边界煤柱的应力继续增加，在开切眼和前方支撑煤壁处出现应力集中，此时的最大主应力38.2MPa。

(3)当回采工作面的推进达到25m时，此时采场第一次来压，边界煤柱应力又缓慢增加，在挖空区支撑煤壁处最大主应力为57.2MPa，应力继续集中。从煤层采动模拟效果图中可以看出(图2E～G)，在开挖区中间形成了拉破坏区，岩层离层现象严重。破坏裂纹穿透了直接顶，扩展到了老顶。

(4)当回采工作面的推进达到40m时，在挖空区支撑煤壁处最大主应力69.6MPa，从煤层采动模拟效果图中可以看出(图2H～J)，老顶冒落以后，充填采空区，以矸石的形式承担上面冒落岩石的重量。

3 结论

利用数值模拟方法再现了采动影响下覆岩从变形到破坏的动态发展全过程。在回采过程中，直接顶变形破坏的主要原因是回采过程中覆岩拉应力超过极限抗拉强度，老顶的破坏主要受随分步开挖而增大的拉应力及其损伤的积累作用。随着工作面的推进，煤层上的支承压力是动态变化的，开挖后，出现明显的支承压力集中区。该数值模拟结果对平顶山十矿今后现场施工具有重要的指导意义。

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