采動引起的地表危巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

廖鑄敏,楊 慶

（1.貴州省地質(zhì)調(diào)查院，貴州貴陽550018；2.貴州省貴陽市修文縣國土資源局，貴州貴陽550200）

采動引起的地表危巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

廖鑄敏*1,楊 慶2

（1.貴州省地質(zhì)調(diào)查院，貴州貴陽550018；2.貴州省貴陽市修文縣國土資源局，貴州貴陽550200）

針對貴州耳海煤礦地表危巖可能對其下部井筒及工業(yè)場地帶來安全隱患，通過Phase2數(shù)值模擬對采動引起的地表危巖穩(wěn)定性進(jìn)行研究。根據(jù)第一強(qiáng)度準(zhǔn)則和M-C準(zhǔn)則對危巖應(yīng)力進(jìn)行定量分析，推導(dǎo)出安全的開采范圍，利用房柱法開采剩下的部分資源，再對危巖的穩(wěn)定性進(jìn)行應(yīng)力分析，確定出未開采部分和開采部分的寬度，進(jìn)而在安全的前提下盡可能的將煤采出，為礦山的開采提供理論依據(jù)和參考。

地表危巖;Phase2;房柱法;危巖穩(wěn)定性

1 工程慨況

耳海煤礦西南部有一危巖，其下方是井筒和工業(yè)場地所在地，如圖1所示，采動引起的地表危巖若失穩(wěn)將嚴(yán)重的威脅到工業(yè)場地的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和安全，應(yīng)該對采動引起的地表危巖穩(wěn)定性進(jìn)行研究。若為保護(hù)井筒及工業(yè)場地，按照正常開采，C8、C10、C12煤層在圖1中從右往左應(yīng)該推進(jìn)多大的開采范圍；同時危巖下部若不開采，則將導(dǎo)致大量煤炭資源無法采出，造成極大的浪費，為盡可能的采出煤炭，將以何種方式進(jìn)行開采。針對上述問題，本論文研究目的是盡可能開采出危巖下部煤炭，找出影響煤礦地表危巖穩(wěn)定性的主要因素，研究出控制地表危巖穩(wěn)定的方法，避免開采引起的地表危巖地質(zhì)災(zāi)害影響井筒及工業(yè)場地的正常運(yùn)轉(zhuǎn)及造成資源的浪費。

圖1 工業(yè)場地及危巖地形情況圖

2 數(shù)值模型的建立

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)資料，所取模型主要計算參數(shù)如表1所示。

根據(jù)圖1建立數(shù)值模型，長、高分別為2947m、880m，模型劃分21572個單元體網(wǎng)格，節(jié)點數(shù)10963個。模型計算采用mohr-coulomb準(zhǔn)則，巖層材料的應(yīng)力應(yīng)變均在彈塑性范圍內(nèi)變化,模型底部及兩邊設(shè)為固定約束邊界,上部為自由邊界[1-3]，僅考慮自重應(yīng)力產(chǎn)生的初始應(yīng)力場，所建模型如圖2所示。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 地表危巖的破壞模式分析

根據(jù)耳海煤礦剖面的數(shù)值模擬結(jié)果，本論文從應(yīng)力情況方面來對采動引起的地表危巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。

根據(jù)第一強(qiáng)度準(zhǔn)則[5]，巖體發(fā)生拉壓破裂時許用應(yīng)力計算公式為：

表1 模型主要計算參數(shù)

圖2 有限元計算模型

式中：σu——材料的極限正應(yīng)力，MPa;

n——安全因數(shù)。

由式（1）可求出各種材料許用應(yīng)力[σ]，見表2。

表2 材料的許用應(yīng)力值[σ]（MPa）

根據(jù)摩爾-庫倫準(zhǔn)則[5],巖體發(fā)生剪切破裂(或處于極限平衡)時最大主應(yīng)力取值上限計算公式為:

式中：c——粘聚力，MPa；

φ——內(nèi)摩擦角,（°）；

σ3——最小主應(yīng)力，MPa。

由式（2）及表1可求出各種材料最大主應(yīng)力的上限值σ1f，見表3。

表3 最大主應(yīng)力的取值上限

3.2 煤層進(jìn)行開采模擬結(jié)果分析

（1）開采范圍的確定及一定開采范圍下危巖的應(yīng)力分布情況：通過Phase2進(jìn)行數(shù)值模擬,改變開采范圍與相應(yīng)開采范圍下主應(yīng)力曲線中的最大值得到如圖3所示的模擬結(jié)果。

圖3 隨著開采推進(jìn)應(yīng)力變化過程圖

圖3中其最左端自上往下第一條曲線為發(fā)生剪切破壞的極限應(yīng)力σ1f；第二條是許用應(yīng)力[σ]；第三條曲線、第四條曲線、最下面一條曲線分別為C8、C10、C12、C8、C10、C8煤層開采時穩(wěn)定性較差區(qū)域的最大σ1隨開采范圍的變化情況，記為σ1，c8,c10,c12、σ1，c8,c10、σ1，c8。圖中可以看出，在相同的開采范圍下，煤層開采數(shù)越多，對地表穩(wěn)定性較差區(qū)域應(yīng)力的影響越大，故采動對地表危巖的穩(wěn)定性影響就越顯著；隨著開采范圍的增大，其最大主應(yīng)力σ1也隨著增大，當(dāng)增大到一定程度時其σ1=[σ]，此時σ1遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于σ1f，即危巖若失穩(wěn)，首先是拉壓破壞引起，此時還不會發(fā)生剪切破壞。當(dāng)繼續(xù)推進(jìn)σ1＞[σ],則會發(fā)生拉壓破壞，這對危巖穩(wěn)定性的控制是極為不利的，故在開采推進(jìn)到臨界點σ1=[σ]時停采或者換種方法進(jìn)行繼續(xù)開采?？紤]到本論文中研究煤層均要開采，故其推進(jìn)至臨界點1854.56m（759.44m未開采）時停采或換種方法進(jìn)行開采，如圖3所示。其圖3臨界點數(shù)值模擬主應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 主應(yīng)力圖

由圖4可知，煤壁附近礦壓顯現(xiàn)比較突出，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，而在采動的影響下，其應(yīng)力會不斷地向外擴(kuò)展，進(jìn)而擴(kuò)展到地面。本文選擇B-C區(qū)域進(jìn)行研究分析，此部分危巖的穩(wěn)定性嚴(yán)重的影響到井筒及工業(yè)場地的安全。在采動的影響下，應(yīng)力不斷地向B-C區(qū)域靠近，致使應(yīng)力不斷向危巖擴(kuò)展，當(dāng)危巖的最大主應(yīng)力σ1達(dá)到許用應(yīng)力[σ]或巖體剪切破壞的極限應(yīng)力σ1f時則危巖的穩(wěn)定性較差，存在安全隱患，所以煤層開采過程中煤層開采范圍和地表危巖應(yīng)力均應(yīng)不超過如圖3所示臨界點，從而使采動引起的地表危巖穩(wěn)定性得到較好的控制。

圖5 開采至1854.46m改用房柱法開采應(yīng)力分布圖

（2）房柱法繼續(xù)進(jìn)行開采：如圖5所示，圖最右側(cè)為開采范圍為1854.46m（759.44m未開采）時的煤壁，應(yīng)力集中情況如圖所示。在煤壁左側(cè)采用留一段煤層不開采，然后在不開采煤層左側(cè)進(jìn)行開采一段煤層，采用房柱法開采對引起的B-C地表危巖穩(wěn)定性的應(yīng)力進(jìn)行分析研究。

通過改變未開采部分所留尺寸，開采部分寬度控制在150m。其模擬結(jié)果如圖6所示。未開采部分寬度小到一定程度時，危巖不僅會發(fā)生拉壓破壞，而且還會發(fā)生剪切破壞，隨著未開采部分寬度的增加，應(yīng)力逐漸減少，當(dāng)所留寬度為209.30m時σ1=[σ]，未開采部分所留尺寸不能過小，過小出現(xiàn)σ1＞[σ]，這對危巖的穩(wěn)定性明顯不利的。過大會對資源造成浪費。所以選擇所留寬度為209.30m，如圖6所示，209.30m及49.84m是未開采部分寬度，150m為開采部分寬度。

圖6 未采段不同寬度下應(yīng)力變化圖

4 結(jié)論

（1）根據(jù)煤礦剖面結(jié)構(gòu)，Phase2可以根據(jù)剖面實現(xiàn)對其進(jìn)行實體建模，利用數(shù)值模擬，可以得出模型的應(yīng)力分布情況及大小。

（2）通過穩(wěn)定性相對較差的區(qū)域數(shù)值模擬云圖及應(yīng)力數(shù)值線圖，分析其應(yīng)力與開采范圍的關(guān)系，得到其臨界開采范圍，使危巖穩(wěn)定性得到控制。

（3）本論文在臨界開采范圍后改用房柱法進(jìn)行開采，通過開采段寬度不變，改變未開采段的寬度，然后對危巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，可以在保證安全的前提下最大限度的采出煤炭。

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P642.1

A

1004-5716(2015)12-0004-04

2015-07-14

2014-07-15

企業(yè)、事業(yè)單位委托項目（H100470）；貴州省科學(xué)技術(shù)基金（No.2123068）。

廖鑄敏（1988-），女（土族），貴州麻江人，助理工程師，現(xiàn)從事區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作。