采動影響下覆巖應力變化規(guī)律的數(shù)值模擬分析

陳 峰，潘一山，鐘 勇

(1.長春建筑學院，吉林長春 130000;2.遼寧工程技術大學力學與工程學院，遼寧阜新 123000;3.東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽 110819)

礦山動力災害包括礦山開采與地下工程活動誘發(fā)的沖擊地壓、煤與瓦斯突出、突水等，是煤礦開采過程中常見的工程誘發(fā)災害。這些礦山動力災害都是礦山開采過程中的覆巖應力場擾動所誘發(fā)的地質環(huán)境劣化過程災變的結果［1-2］。礦井開采活動中引起上覆巖層的移動，使圍巖的力學性質與未受采動前相比發(fā)生了根本性的變化，打破了原始的應力平衡，圍巖的應力狀態(tài)重新分布，達到新的平衡狀態(tài)，導致應力或應變增加和能量積聚，從而誘發(fā)礦井動力災害［3-4］。礦井動力災害嚴重威脅礦工生命與國家財產安全，也嚴重制約我國能源發(fā)展戰(zhàn)略的有效實施，因此，模擬上覆巖層的移動破壞規(guī)律對煤礦開采具有重要指導意義。

目前在巖石力學中進行地下結構圍巖破壞的研究主要采用的計算方法:邊界元法、有限單元法、離散元法等，在這些方法中多數(shù)視研究對象為均勻、連續(xù)的介質，而試驗和工程實際均表明巖石類材料非均勻性對圍巖破壞的影響至關重要［5-6］，本文應用的真實破裂過程分析軟件(RFPA2D)的計算方法正是通過考慮巖石的非均勻性，將復雜的宏觀非線性問題轉化成簡單的細觀線性問題，并引入數(shù)學連續(xù)物理不連續(xù)的概念，將復雜的非連續(xù)介質力學問題轉化成簡單的連續(xù)介質力學問題，使得計算更加真實準確［7-8］，而且該軟件適用于巖土工程的應用分析，可針對地下工程誘發(fā)的地表沉陷、巖層移動、巷道破壞、頂板冒落等工程災害展開應力場、位移場及聲發(fā)射模式(微震)的實時監(jiān)測［9-10］。

1 數(shù)值模型建立

本文采用真實破裂過程分析軟件(RFPA2D)進行數(shù)值模擬，根據平頂山十礦的水文地質條件建立平面應變數(shù)值計算模型，該礦位于平頂山礦區(qū)東部，井田內有多組含煤地層，其中戊8煤層的平均厚度為2m，賦存比較穩(wěn)定，煤層結構簡單，工作面有效走向長度915m，傾斜長 204m，煤層傾角 4°～6°，平均采深為500m。取采場的縱剖面作為計算區(qū)域(圖1)。模型沿水平方向取200m，沿垂直方向取50m，煤層厚2m，煤層的賦存深度為500m，網格劃分為100×400=40000個細觀基元，單元服從Weibull分布。模擬開采時，采用先加載后開挖方式，從模型左側距邊界50m處開挖，每步開挖5m，共開挖10步。各巖層的物理力學參數(shù)見表1。

圖1 數(shù)值模擬的力學模型Fig.1 Mechanical model of numerical simulation

表1 巖層力學參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of strata roof

模型加載方式:水平方向采用位移約束，位移約束值為零;垂直方向底面固定，頂面受到均布荷載。設定模型上部巖層的平均自重為25kN/m3，則模型上部受到的恒定載荷σ=λh=25000×500=12.5MPa，并考慮整個模型的自重。建模時對力學性質相近的巖層做了合并處理，并在每兩巖層之間加強度很小的節(jié)理，基元的相變臨界點用修正后的Coulomb準則。

2 數(shù)值計算分析

2.1 覆巖垮落過程

由于煤體上覆巖層中節(jié)理和層理的存在，煤體上覆巖層不會隨工作面的推進形成結構破壞，而是產生破裂，導致冒落。煤層開挖以后，直接頂巖梁的中下部和兩端的應力集中為拉應力集中如圖2(A)～(C)所示，當拉應力超過直接頂?shù)臉O限抗拉強度時，首先在巖梁的中下部和巖梁兩端的上部產生裂隙，如圖2(D)所示。由于受到開挖引起的卸荷膨脹變形的影響，開挖煤層上的第一層頂板在中部產生離層，如圖2(E)～(F)所示，由此可見，直接頂?shù)钠茢鄼C理為拉破壞。而后當工作面向前推進時，頂板巖梁在重力的作用下彎曲下沉，使離層進一步擴展，直接頂首先在端部產生斷裂，如圖2(G)。隨著工作面的繼續(xù)推進，老頂也首先在巖梁的中部產生離層，如圖2(H)，同時巖梁的兩端和中部的拉應力致使其產生損傷累積，當損傷累積達到一定的程度后，首先在巖梁的端部出現(xiàn)宏觀裂紋，如圖2(I)所示。當工作面繼續(xù)向前推進，老頂斷裂完成，并開始回轉，下沉運動，而后觸矸，以后隨著工作面不斷推進，老頂呈現(xiàn)出周期性破斷現(xiàn)象，如圖2(J)～(L)所示。

圖2 煤層采動模擬效果圖Fig.2 Simulation result of mining procedure

通過上述破壞運動過程及破斷機理的分析可以看出，沿厚度方向向上，遵循自下而上的運動順序:巖梁在重力的作用下彎曲沉降，發(fā)生離層后在運動中重新組合成同時運動(或近乎同時運動)的“假塑性”傳遞巖梁［11-15］，當沉降值超過允許的限度即發(fā)生冒落。在推進方向上，隨著直接頂?shù)拿奥?，當達到極限跨距時，老頂將產生斷裂，下沉回轉運動、觸矸，最終形成穩(wěn)定的結構。隨著工作面的推進，頂板出現(xiàn)離層和中部、端部斷裂均為拉破壞所致，因此頂板的離層、頂板的中部斷裂和在煤壁處的端部斷裂均符合拉破壞判據，只有當層面深入煤巖層內部產生錯動和深入到煤層內部產生斷裂時［16-18］，才呈現(xiàn)一定量的剪破壞。

2.2 支承壓力的分布規(guī)律

圖3為采場覆巖支承壓力分布情況。從圖中可以看到，隨著工作面的推進，煤層上的支承壓力是動態(tài)變化的。開挖后，出現(xiàn)明顯的支承壓力集中區(qū)。隨著開采的進行，在工作面前方形成的支承壓力峰值是逐漸增加的，并且極值點位置不斷前移。在采空區(qū)后方煤層上的支承壓力峰值的位置幾乎保持不變。

圖3 支承壓力分布圖Fig.3 Distribution of abutment pressure

(1)隨著采場工作面的推進到5m，原巖應力狀態(tài)收到擾動，引起采空區(qū)圍巖應力重新分布，在開切眼和前方支撐煤壁處出現(xiàn)應力集中，最大主應力34.7MPa。

(2)隨著采場工作面的推進到10m，邊界煤柱的應力繼續(xù)增加，在開切眼和前方支撐煤壁處出現(xiàn)應力集中，此時的最大主應力38.2MPa。

(3)當回采工作面的推進達到25m時，此時采場第一次來壓，邊界煤柱應力又緩慢增加，在挖空區(qū)支撐煤壁處最大主應力為57.2MPa，應力繼續(xù)集中。從煤層采動模擬效果圖中可以看出(圖2E～G)，在開挖區(qū)中間形成了拉破壞區(qū)，巖層離層現(xiàn)象嚴重。破壞裂紋穿透了直接頂，擴展到了老頂。

(4)當回采工作面的推進達到40m時，在挖空區(qū)支撐煤壁處最大主應力69.6MPa，從煤層采動模擬效果圖中可以看出(圖2H～J)，老頂冒落以后，充填采空區(qū)，以矸石的形式承擔上面冒落巖石的重量。

3 結論

利用數(shù)值模擬方法再現(xiàn)了采動影響下覆巖從變形到破壞的動態(tài)發(fā)展全過程。在回采過程中，直接頂變形破壞的主要原因是回采過程中覆巖拉應力超過極限抗拉強度，老頂?shù)钠茐闹饕茈S分步開挖而增大的拉應力及其損傷的積累作用。隨著工作面的推進，煤層上的支承壓力是動態(tài)變化的，開挖后，出現(xiàn)明顯的支承壓力集中區(qū)。該數(shù)值模擬結果對平頂山十礦今后現(xiàn)場施工具有重要的指導意義。

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