不同巖性組合條件下頂板采動(dòng)效應(yīng)研究

摘 要：針對(duì)工作面回采后采動(dòng)頂板穩(wěn)定性的問題，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立8種不同巖性組合條件下頂板采動(dòng)效應(yīng)模型，研究不同組合條件下采動(dòng)頂板的應(yīng)力和位移分布變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：頂板全為硬巖時(shí)頂板垂直集中應(yīng)力最大，全為軟巖時(shí)最小;頂板的剪應(yīng)力集中區(qū)主要位于上覆巖層的硬巖中，剪應(yīng)力最大組合頂板類型為軟-硬-軟-硬組合;在不同巖性組合頂板條件下，頂板為軟巖時(shí)其變形量遠(yuǎn)大于頂板為硬巖及軟硬巖結(jié)合時(shí)的變形量;相同頂板條件下隨著距離的加大，頂板垂直位移量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。研究結(jié)果可為工作面布置方式和頂板支護(hù)方式的選擇提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：煤層頂板;巖性組合;采動(dòng)效應(yīng);數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TD325

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

我國(guó)煤礦以井工開采為主，頂板冒裂帶預(yù)測(cè)及其控制是保障煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵要素之一[1]。頂板冒裂帶是煤層頂板水進(jìn)入工作面的主要通道，其發(fā)育規(guī)律是決定工作面是否出水及出水時(shí)長(zhǎng)的關(guān)鍵問題[2]，采動(dòng)頂板應(yīng)力與位移分布變化規(guī)律對(duì)頂板冒裂帶有重要參考價(jià)值。目前，對(duì)于頂板采動(dòng)應(yīng)力和位移分布變化的研究可分為理論分析法、數(shù)值計(jì)算法和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法3種[3]。在理論分析方面，錢鳴高等基于統(tǒng)計(jì)分析，通過對(duì)煤礦頂板采動(dòng)破壞帶的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，總結(jié)得到頂板破壞高度經(jīng)驗(yàn)公式[4-5];在數(shù)值計(jì)算方面，許多專家先后通過有限元、有限差分和離散元等數(shù)值分析軟件模擬采動(dòng)后圍巖應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)變化情況、塑性區(qū)的分布范圍[6-11];在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)方面，主要有“十字測(cè)量法”、鉆孔雙端堵水法、聲發(fā)射法等手段對(duì)頂板采動(dòng)破壞進(jìn)行監(jiān)測(cè)和研究[12-15]。對(duì)于不同巖性組合條件下圍巖的采動(dòng)效應(yīng)研究主要是運(yùn)用理論分析、數(shù)值試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)等多手段結(jié)合的方式，對(duì)不同組合頂?shù)装逶诓蓜?dòng)作用下的變形破壞特征進(jìn)行研究[16-20]。但在考慮頂板不同巖性組合條件下的采動(dòng)應(yīng)力和位移分布變化規(guī)律研究較少。本文擬采用FLAC3D建立8種不同組合類型的數(shù)值計(jì)算模型，研究不同巖性組合類型頂板的應(yīng)力和位移分布變化規(guī)律，結(jié)果對(duì)煤礦安全高效生產(chǎn)具有參考意義。

1 模型建立

數(shù)值計(jì)算模型依據(jù)葫蘆素煤礦實(shí)際的地質(zhì)條件進(jìn)行處理。煤層埋深600 m，煤層厚3 m，分5次開采，采空區(qū)長(zhǎng)度為100～300 m，底板總厚57 m。為保證模擬尺度，建立模型長(zhǎng)×寬×高=400 m×100 m×120 m，如圖1所示。從下往上分別為底板，3 m厚的煤層，15 m×4層的組合頂板，組合類型為全軟、全硬、硬-硬-軟-軟（上硬下軟）、軟-軟-硬-硬（上軟下硬）、硬-軟-硬-軟、軟-硬-軟-硬、軟-硬-硬-軟和硬-軟-軟-硬8種。

模型約束條件為固定兩側(cè)水平位移和下邊界垂直位移[21]，即X方向、Y方向水平位移為0，上邊界施加12 MPa上覆巖層等效荷載，采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算[22]。計(jì)算模型共布置計(jì)算測(cè)點(diǎn)80個(gè)，監(jiān)測(cè)頂板上覆巖層的垂直應(yīng)力、位移量和剪應(yīng)力值，分布在以間距20 m，煤層上部5 m、10 m、15 m、20 m的4條測(cè)線上，見圖2。用FLAC3D內(nèi)置的HISTORY 記錄采樣命令。模型中選用巖性參數(shù)選取值如表1所示。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 不同巖性組合頂板垂直應(yīng)力分布

巷道的垂直應(yīng)力監(jiān)測(cè)的位置為頂板上方5 m、10 m、15 m、20 m處，監(jiān)測(cè)的范圍為水平方向0～400 m，通過計(jì)算得出不同條件下相應(yīng)頂板位置的垂直應(yīng)力分布云圖，見圖3。

通過圖3可以看出，頂板在不同巖性情況下圍巖的最大垂直應(yīng)力不同。全軟巖為35.15 MPa，全硬巖頂板為44.30 MPa，上硬下軟頂板為35.87 MPa，上軟下硬頂板為44.18 MPa;頂板為軟硬互層組合類型時(shí)的垂直應(yīng)力介于頂板類型為上軟下硬和上硬下軟二者之間，其中硬-軟-硬-軟為36.51 MPa，軟-硬-軟-硬為42.40 MPa，軟-硬-硬-軟為38.83 MPa，硬-軟-軟-硬為40.46 MPa。不同巖性組合頂板條件下的垂直應(yīng)力關(guān)系：全軟巖lt;上硬下軟lt;硬-軟-硬-軟lt;軟-硬-硬-軟lt;硬-軟-軟-硬lt;軟-硬-軟-硬lt;上軟下硬lt;全硬巖。從垂直應(yīng)力關(guān)系中可以看出：垂直應(yīng)力與軟弱巖層的厚度、層位有關(guān);垂直應(yīng)力隨軟巖厚度增加而減小，隨硬巖厚度增加而增大;當(dāng)煤層與頂板軟巖直接接觸時(shí)，垂直應(yīng)力隨軟巖層的間距增加而增大;當(dāng)煤層與頂中應(yīng)力與巖體的強(qiáng)板硬巖直接接觸時(shí)，垂直應(yīng)力隨硬巖層的間距增加而減小。

2.2 不同巖性組合頂板剪應(yīng)力分布

8種模型的頂板剪應(yīng)力分布情況如圖4所示。全軟巖頂板的剪應(yīng)力集中區(qū)位于采空區(qū)兩端上方，最大值為8.34 MPa，云圖近似三葉草形;全硬巖頂板的剪應(yīng)力最大值為12.64 MPa，云圖形狀與均質(zhì)軟巖類似，應(yīng)力集中范圍較全軟巖的小（位于采空區(qū)兩端上0～45 m范圍內(nèi)）;上硬下軟組合頂板的剪應(yīng)力最大值為15.63 MPa，位于采空區(qū)兩端上30 m處的硬巖中，此外采空區(qū)兩端的軟巖層出現(xiàn)了一定規(guī)模的次級(jí)集中區(qū);頂板上軟下硬組合頂板的剪應(yīng)力最大值為12.48 MPa，位于采空區(qū)兩端上的硬巖中，云圖近似三葉草狀;軟硬互層組合類型頂板的剪應(yīng)力集中區(qū)均位于上覆巖層的硬巖中，其最大值關(guān)系：軟-硬-硬-軟（15.24 MPa）lt;硬-軟-軟-硬（15.78 MPa）lt;硬-軟-硬-軟（15.81 MPa）lt;軟-硬-軟-硬（15.89 MPa）。

2.3 不同巖性組合頂板垂直位移分布

通過圖5可以看出8種組合類型頂板垂直位移分布圖差異性明顯：頂板全為軟巖時(shí)位移現(xiàn)象最為強(qiáng)烈，位移區(qū)域于巷道中間對(duì)稱，垂直位移為83939 m;頂板全為硬巖時(shí)垂直位移為0.46492 m，位移現(xiàn)象較不明顯;頂板為上硬下軟時(shí)垂直位移為1.6345 m，頂板上軟下硬時(shí)垂直位移為1.1604 m;當(dāng)頂板為軟硬互層組合類型時(shí)，位移區(qū)段分區(qū)明顯，硬-軟-硬-軟頂板垂直位移為1.3182 m，軟-硬-軟-硬頂板垂直位移為1.0375 m，軟-硬-硬-軟頂板垂直位移為1.0712 m，硬-軟-軟-硬頂板垂直位移為1.2331 m。不同巖性組合頂板條件下的垂直位移關(guān)系：全硬巖lt;軟-硬-軟-硬lt;軟-硬-硬-軟lt;上軟下硬lt;硬-軟-軟-硬lt;硬-軟-硬-軟lt;上硬下軟lt;全軟巖。在不同巖性組合頂板條件下，頂板為全軟巖時(shí)變形量遠(yuǎn)大于頂板為全硬巖和軟硬組合的變形量。頂板為軟硬組合的6種組合類型中：頂板為上硬下軟的變形量比上軟下硬的大;頂板為硬-軟-硬-軟的變形量比軟-硬-軟-硬的大;頂板為硬-軟-軟-硬的變形量比軟-硬-硬-軟的大。

距頂板上方5 m到20 m的垂直位移變化如圖6所示，相同條件下隨著頂板間距的加大，垂直位移呈現(xiàn)降低趨勢(shì);不同組合類型在相同位置的垂直位移關(guān)系為全軟巖gt;上軟下硬gt;上硬下軟gt;軟硬巖互層gt;全硬巖。隨著垂直方向上深度的增加，頂板垂直位移在降低，其中頂板全為軟巖和上軟下硬組合條件下頂板垂直位移的降低幅度先大后小，而其他條件下頂板垂直位移的降低幅度均為先小后大。最終在頂板深處組合類型為上硬下軟的頂板位移量將超過組合類型為上軟下硬的位移量。

3 結(jié)論

（1）頂板全為硬巖時(shí)集中應(yīng)力最大，全為軟巖時(shí)最小;不同巖性組合條件下頂板的垂直應(yīng)力關(guān)系：全軟巖lt;上硬下軟lt;硬-軟-硬-軟lt;軟-硬-硬-軟lt;硬-軟-軟-硬lt;軟-硬-軟-硬lt;上軟下硬lt;全硬巖。

（2）頂板的剪應(yīng)力集中區(qū)主要位于上覆巖層的硬巖中，剪應(yīng)力最大組合頂板類型為軟-硬-軟-硬組合。

（3）在不同巖性組合條件下，頂板為全軟巖時(shí)的變形量遠(yuǎn)大于頂板為全硬巖及軟硬巖組合的變形量。相同頂板條件下隨著距離的加大，頂板垂直位移量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]譚云亮，何孔翔.煤礦頂板冒落監(jiān)測(cè)與前兆模式識(shí)別新進(jìn)展[J].西北煤炭，2005，3（3）：13-17.

[2]許進(jìn)鵬，邊凱，程久龍，等.基于角位移臨界值的頂板裂隙帶高度研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，40（4）：536-539.

[3]趙春波，趙志剛.煤礦頂板采動(dòng)破壞高度模擬與實(shí)測(cè)技術(shù)研究[J].煤炭工程，2017，49（9）：110-113.

[4]煤炭科學(xué)研究院北京開采研究所.煤礦地表移動(dòng)與覆巖破壞規(guī)律及其應(yīng)用[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1981.

[5]錢鳴高，劉聽成.礦山壓力及其控制[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1991.

[6]吳啟紅，萬(wàn)世明，徐青，等.地下開挖圍巖應(yīng)力響應(yīng)的數(shù)值分析[J].成都大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，36（1）：98-101，110.

[7]王路軍，王巖，孫斌建，等.紅菱煤礦開采保護(hù)層后煤巖體采動(dòng)裂隙分布的數(shù)值模擬研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2008，35 （5）：1-3，6.

[8]ALEJANO L R，F(xiàn)ERRERO A M，RAMIREZ-OYANGUREN P，et al.Comparison of limit-equilibrium，numerical and physical models of wall slope stability[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2010，48（1）：16-26.

[9]王國(guó)鋒.趙莊礦采動(dòng)覆巖三帶發(fā)育特征數(shù)值模擬研究[J].煤炭技術(shù)，2018，37（5）：68-70.

[10]許源華，陳筠.貴州遵義某軟硬互層巖質(zhì)邊坡崩塌破壞機(jī)制數(shù)值模擬研究[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，32（6）：34-39.

[11]閆浩，張吉雄，張強(qiáng)，等.巨厚火成巖下采動(dòng)覆巖應(yīng)力場(chǎng)-裂隙場(chǎng)耦合演化機(jī)制[J].煤炭學(xué)報(bào)，2016，41（9）：2173-2179.

[12]劉偉韜，劉士亮，霍志超，等.頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度模擬與測(cè)試技術(shù)研究[J].工程勘察，2014，42（11）：39-43.

[13]盛佳，陳蓓，李向東，等.礦柱回采過程中疊層空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)踐[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，2016，36（5）：75-78.

[14]ZHU S， JIANG Z， ZHOU K， et al. The characteristics of deformation and failure of coal seam floor due to mining in Xinmi coal field in China[J]. Bulletin of Engineering Geology amp; the Environment， 2014， 73（4）：1151-1163.

[15]趙奎，胡源，王曉軍，等.采場(chǎng)頂板穩(wěn)定性位移與聲發(fā)射組合識(shí)別研究[J].有色金屬科學(xué)與工程，2015，6（3）：72-77.

[16]朱寧寧，姚多喜，魯海峰，等.采動(dòng)底板的巖性組合效應(yīng)研究[J].煤炭技術(shù)，2017，36（11）：44-47.

[17]朱術(shù)云，曹丁濤，周海洋，等.采動(dòng)底板巖性及組合結(jié)構(gòu)對(duì)破壞深度的制約作用[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2014，31（1）：90-96.

[18]ZHU S，JIANG Z，CAO D，et al.Restriction function of lithology and its composite structure to deformation and failure of mining coal seam floor[J].Natural Hazards，2013，68（2）：483-495.

[19]LE Q L，CHEN P，YANG W M.The relation between modes of lithologic association and inter-layer-gliding structures in coal mine[J].International Journal of Coal Science amp; Technology，2010，16（1）：47-52.

[20]董洪凱，劉公君.不同層間巖性組合覆巖垮落規(guī)律研究[J].中國(guó)煤炭，2015，41（5）：63-66.

[21]李井.基于“連續(xù)梁”模型的巷道頂板支護(hù)優(yōu)化[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2017.

[22]唐鑫，姜振泉，曹丁濤，等.厚煤層分層開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞Оl(fā)育高度的確定[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2014，41（6）：44-47.

（責(zé)任編輯：周曉南）