新集二礦巨厚砂巖頂板覆巖應(yīng)力位移場(chǎng)數(shù)值模擬

楊合遠(yuǎn)， 申法建， 吳德義

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022）

0 引 言

采空區(qū)覆巖“三帶”分布研究可為合理確定高抽巷層位以及為防水煤柱的留設(shè)提供依據(jù)［1－3］。“三帶”高度分布和采空區(qū)覆巖位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布密切相關(guān)［4－5］，對(duì)其分布規(guī)律研究具有工程實(shí)用價(jià)值。目前理論僅能定性分析，工程實(shí)測(cè)不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)工，有時(shí)很難實(shí)現(xiàn)，而數(shù)值模擬不僅快速高效和成本低廉，而且能定量分析覆巖應(yīng)力位移場(chǎng)。本文針對(duì)新集二礦巨厚砂巖頂板工程實(shí)際，采用數(shù)值模擬方法分析覆巖應(yīng)力位移場(chǎng)，可為該采空區(qū)覆巖頂板“三帶”高度的確定，進(jìn)而確定高抽巷合理層位提供依據(jù)。

1 工程概況

本項(xiàng)目以新集二礦1煤210108試采工作面為研究對(duì)象，試采工作面標(biāo)高－643．1～－591．4m（地面標(biāo)高＋17．9～＋24．3m），頂板砂巖厚度較大，一般為32．5m～48．3m，平均厚度約38．7m，工作面平均采高約4．2m?？刹勺呦蜷L(zhǎng)度1242．0～1316．0m，傾斜長(zhǎng)149．0m。根據(jù)該工作面地質(zhì)柱狀圖得出煤層附近各層巖性如圖1，實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)不同巖性巖石物理力學(xué)參數(shù)如表1。

圖1 煤層附近不同巖層

表1 不同巖性巖石物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值計(jì)算模型

采用 FLAC3D［4－5］軟件，利用數(shù)值模擬方法，分析巨厚砂巖條件下采空區(qū)覆巖主應(yīng)力及垂直位移。

數(shù)值計(jì)算模型中，采空區(qū)、工作面前方實(shí)體以及工作面位置關(guān)系示意如圖2。根據(jù)該工作面工程實(shí)際，建立三維數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分如圖3。

圖2 采空區(qū)、工作面前方實(shí)體及工作面位置關(guān)系示意劃與似

圖3 數(shù)值計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分示意

計(jì)算模型尺寸為:長(zhǎng)×寬×高＝400m×400m×650m，煤層開采后采空區(qū)尺寸為:長(zhǎng)×寬×高＝200m×15m×4m，計(jì)算模型網(wǎng)格劃分單元為100800個(gè)和節(jié)點(diǎn)為107584個(gè)。模型側(cè)面為滾支，限制模型的水平移動(dòng)；模型底部為固支，限制水平和垂直位移；頂部為自由邊界。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

3．1 采空區(qū)覆巖垂直位移分布

根據(jù)計(jì)算模型可知，X＝300．0m處為工作面位置，距工作面100．0m處（即X＝200．0m）采空區(qū)覆巖垂直位移云圖如圖4；采空區(qū)覆巖垂直位移隨頂板距離變化如圖5。

圖4 采空區(qū)覆巖垂直位移云圖

圖5 采空區(qū)覆巖垂直位移隨頂板高度變化

由圖5可得，采空區(qū)覆巖垂直位移隨頂板距離變化可示為:

式中:u－采空區(qū)覆巖垂直位移，mm；

Z－采空區(qū)覆巖距頂板距離，mm；

u1、A1、K1——系數(shù)，mm。

回歸系數(shù)u1＝0．0014，A1＝－0．07850，K1＝96．290。

采空區(qū)覆巖垂直位移隨頂板距離增加而減小，垂直位移衰減快慢可用位移梯度表示，定義位移梯度v為:

由式（1）可得采空區(qū)覆巖垂直位移梯度v1為:

采空區(qū)覆巖垂直位移梯度隨采空區(qū)頂板距離變化如圖6:

以上分析表明:

（1）采空區(qū)覆巖表面垂直位移量最大，隨頂板距離增加，垂直位移值逐漸減小，最終趨于較小穩(wěn)定值。

（2）采空區(qū)覆巖表面垂直位移梯度最大，隨頂板距離增加，逐漸減小，最終位移梯度接近為零。

（3）可以將位移梯度為為冒落帶垂直位移梯度的0．4倍為標(biāo)準(zhǔn)定義為裂隙帶范圍，由此可得:Hl＝（84．0－88．0）m。

圖6 覆巖垂直位移梯度隨采空區(qū)距離變化

3．2 采空區(qū)覆巖主應(yīng)力分布

距工作面100．0m處（即X＝200．0m）采空區(qū)覆巖主應(yīng)力云圖如圖7:

圖7 采空區(qū)覆巖主應(yīng)力云圖（X＝200．0m）

根據(jù)圖7采空區(qū)覆巖主應(yīng)力云圖，可以得出采空區(qū)覆巖主應(yīng)力隨頂板距離變化如圖8:

圖8 采空區(qū)覆巖主應(yīng)力隨距頂板高度變化曲線圖

從圖8中可以看出:距采空區(qū)頂板一定范圍內(nèi)覆巖三個(gè)方向主應(yīng)力都為拉應(yīng)力。隨頂板距離增加，第一主應(yīng)力首先轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，隨后，第二主應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，最后第三主應(yīng)力也轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力。

新集二礦1煤頂板砂巖抗壓強(qiáng)度為抗拉強(qiáng)度的10倍左右。如果采空區(qū)覆巖三個(gè)方向主應(yīng)力都為拉應(yīng)力，該位置處巖石很可能產(chǎn)生破壞；如果某一方向產(chǎn)生拉應(yīng)力，與該拉應(yīng)力垂直方向很可能產(chǎn)生明顯裂隙。可以將覆巖三個(gè)方向主應(yīng)力都為拉應(yīng)力范圍作為冒落帶高度，將一個(gè)方向主應(yīng)力為拉應(yīng)力范圍作為裂隙明顯的裂隙帶高度。由此可得:冒落帶高度:Hm＝ （21．0－23．0）m，明顯裂隙帶高度為Hlm＝44．0m。

4 結(jié) 論

（1）采空區(qū)頂板表面位移量及位移梯度值最大，隨采空區(qū)頂板高度增加，位移量及位移梯度值逐漸減小，且衰減變緩。

（2）距采空區(qū)覆巖頂板一定范圍三個(gè)方向主應(yīng)力都為拉應(yīng)力，隨覆巖頂板距離增加，第一主應(yīng)力首先轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，隨后，第二主應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，最后第三主應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力。

（3）冒落帶高度為Hm＝（21．0－23．0）m，明顯裂隙帶高度為Hlm＝44．0m，裂隙帶高度為Hl＝（84．0－88．0）m。

1 佟軍，魏保民，劉智雙，等．采空區(qū)高位鉆孔瓦斯抽放技術(shù)應(yīng)用與分析［J］．中國(guó)礦業(yè)，2009，18（11）:100－103．

2 高嶺，孫占海．高抽巷瓦斯抽采在新集二礦的應(yīng)用［J］．江西煤炭科技，2008（2）:30－32．

3 隋旺華，董青紅，狄乾生．工程地質(zhì)模型在防水煤巖柱研究中的應(yīng)用［J］．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，28（5）:417－420．

4 錢鳴高，繆協(xié)興．采場(chǎng)上覆巖結(jié)構(gòu)的形態(tài)與受力分析［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1995（2）:97－106．

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7 姜慶紅，范慧鶴，李紅英，等．FLAC3D中INTERFACE建模新方法在釆空區(qū)模擬中的應(yīng)用［J］．計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2008，（10）:113－115．