基于顆粒流的特厚煤層采動誘發(fā)斜坡變形破壞研究

張琰君，閻躍觀，戴華陽，朱元昊，賀福帥

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京100083；2.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司，長沙 410000；3.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024)

厚煤層一般指厚度超過3.5 m的煤層，特厚煤層一般指厚度超過8 m的煤層[1]。特厚煤層礦井?dāng)?shù)量較多，主要分布于我國西部礦區(qū)。由于一次采出煤層厚度較大，上覆巖層變形破壞更為劇烈，在地表形成的采動裂縫更為普遍[2]。隨著我國煤炭資源開采逐漸向西部轉(zhuǎn)移，對特厚煤層下開采引起的地表破壞研究顯得尤為重要。相關(guān)學(xué)者采用相似材料模擬、數(shù)值模擬、理論分析等方法對特厚煤層下開采巖層運動規(guī)律及其控制問題進(jìn)行了研究。比如戴華陽等[3]以窯街礦區(qū)為原型，采用相似材料模擬研究了特厚急傾斜煤層巖層移動機(jī)理和地表移動規(guī)律，揭示了特厚急傾斜煤層開采具有顯著的重復(fù)開采和變方向傳播的特征；許家林等[4-5]對特大采高工作面開采覆巖結(jié)構(gòu)形態(tài)及其運動規(guī)律進(jìn)行了研究，得出不同的覆巖結(jié)構(gòu)形式下，工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的差異。另外，針對坡體下煤層開采時斜坡變形的破壞機(jī)理[6-9]、裂縫發(fā)育規(guī)律[10-12]、地表損害及防治[13]等，相關(guān)學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究工作，取得了豐碩的成果。

現(xiàn)有研究主要是針對特厚煤層開采或者坡體下開采所進(jìn)行的單一研究，對特厚煤層開采引起的斜坡變形研究相對較少，且覆巖運動及地表裂縫發(fā)育是一個非連續(xù)大變形離散介質(zhì)問題，以往的方法不能很好地研究其動態(tài)演化規(guī)律。20世紀(jì)末，Peter Cundall提出了顆粒流理論(又稱粒子流理論)，即Particle Flow Code(PFC)[14]。最初，這種方法是研究顆粒介質(zhì)特性的一種工具，它將物體劃分成數(shù)百個顆粒單元，利用局部模擬結(jié)果來研究計算邊值問題。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，顆粒流方法逐漸被用于模擬固體力學(xué)，解決實際工程問題[15]，大量研究證明顆粒流方法更適用于研究煤層開采引起的沉陷問題。比如周健等[15]歸納總結(jié)了顆粒流模擬方法產(chǎn)生的背景，比較了與其他模擬方法的異同之處，并介紹了其在巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)用實例；LIAN et al[16]、WANG et al[17]、侯恩科等[18]采用顆粒流方法研究了煤層開采過程中地表裂縫發(fā)育規(guī)律，驗證了PFC模擬地表非連續(xù)變形的可行性。以上研究成果和方法手段對特厚煤層采動誘發(fā)斜坡變形破壞研究具有重要的參考價值。

本文以西部某礦8092工作面為研究背景，采用現(xiàn)場調(diào)查、數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的方法，分析了特厚煤層條件下開采斜坡變形破壞特征和機(jī)理，旨在為顆粒流方法在此方面的應(yīng)用、采動斜坡變形評價及地面保護(hù)提供借鑒。

1 工程概況

西部某礦區(qū)地勢起伏較大，大量沖溝發(fā)育，地表有厚黃土層覆蓋，為典型的黃土溝壑區(qū)。所研究8092工作面走向長400 m，傾向長127 m，開采煤層為8#煤層，平均煤厚8.4 m，采深170～250 m，平均煤層傾角為6°.工作面頂板為粉砂巖，厚11.6 m，底板為粉砂巖，厚30 m，地表黃土層最大厚度為85 m.工作面覆巖組成見表1.工作面采用綜采放頂煤，走向長壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板，采掘進(jìn)度約為2.5 m/d.圖1為工作面布置平面圖。

圖1 工作面布置平面圖Fig.1 Working face location

井田內(nèi)東低西高，地表西側(cè)坡體較陡，平均坡度為24°，坡頂坡底起伏落差最大高約75 m.隨著井下開采的不斷進(jìn)行，位于采空區(qū)上方的覆巖發(fā)生移動變形，開采影響向上傳播，導(dǎo)致地表出現(xiàn)大量裂縫。依據(jù)調(diào)查結(jié)果，坡體面發(fā)育有多條裂縫，裂縫寬度為0.1～0.2 m，坡頂和坡底出現(xiàn)明顯的臺階狀裂縫，其水平張開量和垂直錯動量較大，嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境(見圖2).

圖2 地表裂縫Fig.2 Surface cracks

2 顆粒流數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 顆粒流程序原理

顆粒流程序PFC(particle flow code)是一種離散元程序，與基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法不同，顆粒流理論將顆粒間的微觀力學(xué)特性與宏觀力學(xué)特性聯(lián)系在一起，通過相互作用反映顆粒的宏觀狀態(tài)，因此，PFC中沒有像有限元法那樣的網(wǎng)格和網(wǎng)格概念[12]。顆粒流理論通過兩個或多個顆粒連接形成任意組合，利用力-位移定律與牛頓第二定律交替進(jìn)行模擬塊體運動問題，圖3為其計算循環(huán)過程[14]。

圖3 顆粒流程序(PFC)的計算循環(huán)過程Fig.3 The calculation cycle process of particle flow program (PFC)

2.2 數(shù)值模型設(shè)計及參數(shù)標(biāo)定

2.2.1數(shù)值模型設(shè)計

為了消除數(shù)值模型的邊界效應(yīng)，依據(jù)實際現(xiàn)場情況，以圖1中的A線為地質(zhì)剖面建立二維顆粒流采場模型，設(shè)定模型最大尺寸為864 m×288 m，見圖4.模型共計229 193個顆粒，上覆巖層以表1為依據(jù)進(jìn)行分層設(shè)置，通過刪除煤層所對應(yīng)的顆粒模擬開采。在模型計算過程中，約束模型左、右邊界水平側(cè)向位移，底部施加固支條件，上邊界是自由邊界，以重力加載到模型上(重力加速度為9.8 m/s2).開切眼距離模型左邊界243 m，每次推進(jìn)20 m用于模擬煤層沿走向開采，每次開挖后數(shù)值模型不平衡力平均比小于等于1×10-5則為平衡。圖4為采用PFC2D建立的數(shù)值模型。

圖4 顆粒流數(shù)值模型Fig.4 Particle flow code numerical model

2.2.2參數(shù)標(biāo)定

對于巖石斷裂問題，絕大部分學(xué)者采用平行粘結(jié)模型來進(jìn)行研究。但是研究發(fā)現(xiàn)該模型的顆粒集合體往往具有較小的壓拉比，與實際巖石類材料不符，平直節(jié)理模型則克服了這一缺陷，更適用于研究巖石力學(xué)性質(zhì)[17，19]。因此本文中的數(shù)值計算模型采用平直節(jié)理模型定義。顆粒流模型的微觀參數(shù)標(biāo)定采用“試錯法”，具體步驟為：對巖土體進(jìn)行數(shù)值模擬單軸壓縮試驗，通過不斷調(diào)整模型的微觀參數(shù)，使得室內(nèi)實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相匹配，最終確定相應(yīng)的模型參數(shù)。表2為不同巖層巖體標(biāo)定的微觀參數(shù)。

表2 巖層微觀力學(xué)參數(shù)Table 2 Micromechanical parameters of rock strata

“層面效應(yīng)”在數(shù)值模擬中是不可忽視的，考慮層面影響的計算模型才更符合工程實際。本文考慮了巖層間界面對特厚煤層采動誘發(fā)斜坡變形破壞的影響。巖層間界面作為接觸面處理，層面厚度為最小顆粒半徑。首先通過group命令對不同巖層進(jìn)行分層，其次在CAD中繪制層面幾何模型，通過geometry命令將其導(dǎo)入PFC程序中的數(shù)值模型，將層面置于巖層與巖層之間，最后通過cmat命令對不同層面賦予了相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)，參數(shù)選取參考文獻(xiàn)[20-21]進(jìn)行取值，大致為兩側(cè)巖層力學(xué)參數(shù)的1/10.

2.3 斜坡變形破壞規(guī)律

工作面開采階段，斜坡下覆巖受采動影響出現(xiàn)不同的破壞情況，如圖5所示。

圖5 工作面推進(jìn)過程中上覆巖層破壞演化Fig.5 Overlying strata collapse evolution during working face advance

工作面推進(jìn)至80 m時，直接頂發(fā)生初次垮落，垮落高度為14.4 m，此時坡體前緣受沉陷區(qū)域拉應(yīng)力破壞出現(xiàn)拉裂。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，直接頂隨采隨落，采空區(qū)面積逐漸增大，當(dāng)推進(jìn)至100 m時，直接頂發(fā)生周期垮落，周期垮落步距為20 m.

工作面推進(jìn)至140 m時(坡底)，由于黃土層的載荷作用，上覆巖層巖塊不斷被壓碎，充填采空區(qū)，覆巖破壞范圍則呈拱形向上發(fā)育，此時斜坡面受到前方土體牽引作用出現(xiàn)拉張裂縫R1、R2.工作面推進(jìn)至180 m時，直接頂完全垮落至煤層底板上，裂縫R1、R2繼續(xù)發(fā)育，移動變形沿坡體向上發(fā)育形成裂縫R3.由于坡體上部所受拉應(yīng)力增大，坡頂后緣受中下部土體牽引作用出現(xiàn)明顯的拉張裂縫R4.

工作面推進(jìn)至220 m時，坡頂受坡體牽引作用出現(xiàn)裂縫R5.垮落帶中部覆巖被壓實，坡底裂縫則與工作面聯(lián)通，形成貫通性采動裂縫R6.工作面回采結(jié)束后，坡頂裂縫向下延伸，坡體失穩(wěn)，并出現(xiàn)向下滑動的趨勢，地表出現(xiàn)正臺階狀破壞。

根據(jù)模擬結(jié)果可知，工作面開采階段，斜坡底部率先受到采動影響，之后移動變形沿坡體由下往上發(fā)展。工作面回采結(jié)束后在地表共產(chǎn)生6條明顯裂縫，裂縫主要存在于斜破底部、斜坡面和斜坡頂，裂縫為正向裂縫，坡頂裂縫(R5)最大寬度為1.17 m，坡底裂縫與工作面聯(lián)通，坡體面產(chǎn)生3處明顯裂縫。

2.4 采場支承壓力變化規(guī)律分析

工作面推進(jìn)過程中上覆巖層逐漸垮落至采空區(qū)引起采場應(yīng)力分布，采場應(yīng)力的變化是覆巖結(jié)構(gòu)動態(tài)演化和引起地表采動破壞的直接體現(xiàn)[17]。圖6為顆粒流模型采場支承壓力與煤層不同開采距離的關(guān)系，圖中測量圓布置于煤層底板上，自模型左邊界向右布置，半徑為4.2 m，共102個。

工作面回采階段，拉應(yīng)力升高區(qū)位于采空區(qū)正上方，支承壓力的升高區(qū)位于采空區(qū)前方和后方，采空區(qū)前方和后方的最大支承壓力值逐漸增大，且采空區(qū)前方最大支承壓力位置不斷向深部轉(zhuǎn)移。工作面回采80 m時，直接頂發(fā)生初次垮落，所有監(jiān)測點最大支承壓力值為9.40 MPa，此時坡體前緣受拉應(yīng)力作用出現(xiàn)拉張破壞。工作面回采100 m時，直接頂發(fā)生周期性垮落，所有監(jiān)測點最大支承壓力值為10.39 MPa，采空區(qū)前方支承壓力峰值增幅較小，這一特征與直接頂傳遞覆巖載荷能力直接相關(guān)，此時坡體未出現(xiàn)明顯變形破壞，采空區(qū)上方支承應(yīng)力變化相對于煤體中的應(yīng)力變化較為復(fù)雜。工作面回采180 m時(坡體正下方)，監(jiān)測點支承壓力峰值達(dá)到最大值11.22 MPa，這是因為直接頂完全垮落在煤層底板上，直接頂承載結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)致使其失去了傳遞載荷的能力，且由于坡體面拉應(yīng)力增幅較大，坡體裂縫繼續(xù)發(fā)育，坡體后緣受牽引作用出現(xiàn)新的裂縫。工作面回采220 m時，直接頂上方覆巖出現(xiàn)整體切落，覆巖裂縫與坡底裂縫聯(lián)通，此時支承壓力峰值急劇下降。工作面回采結(jié)束后，坡體后緣出現(xiàn)臺階狀破壞，煤體中的支承壓力出現(xiàn)回升，所有監(jiān)測點最大支承壓力值為8.57 MPa.圖6表明覆巖穩(wěn)定性對采空區(qū)上方的支承壓力變化有顯著影響。

圖6 工作面不同推進(jìn)距離支承壓力分布Fig.6 Distribution of abutment pressure with different propulsion distances of working face

2.5 斜坡位移分布規(guī)律

煤層開挖會引起上覆巖層的位移、變形和破壞。圖7分別為直接頂初次垮落時和工作面開采結(jié)束后的覆巖垂直位移場與水平位移場分布圖。

圖7 開采引起的垂直位移場與水平位移場Fig.7 Horizontal and vertical displacement caused by mining

工作面推進(jìn)至80 m時，直接頂發(fā)生初次垮落，采空區(qū)周圍巖層受到水平應(yīng)力與自重作用向采空區(qū)方向移動，采空區(qū)上方出現(xiàn)離層現(xiàn)象，由于開挖空間較小，地表黃土層受采動影響較小，覆巖下沉量自下往上逐漸遞減。隨著工作面推進(jìn)，覆巖不斷填充采空區(qū)，坡體則受滑移影響偏向臨空面，呈現(xiàn)出采空區(qū)正上方覆巖與坡體水平移動方向相反的趨勢，裂縫帶發(fā)育至地表形成采動裂縫。

根據(jù)地表不同位置的監(jiān)測點位移數(shù)據(jù)，繪制位移曲線。圖8為工作面回采過程中的地表下沉曲線。工作面開采初期，下沉曲線較為平緩，坡底先受到采動影響，下沉量較大，坡體受采動影響較小。隨著工作面開采范圍的擴(kuò)大，地表的下沉量與影響范圍逐漸增大，受坡體滑移影響，最大下沉點偏向上坡方向，下沉曲線呈現(xiàn)出不以采空區(qū)為中心的“V”字型，整體表現(xiàn)出盆地邊緣偏小，盆地中央偏大的趨勢。工作面回采結(jié)束后，地表最大下沉量為9 020 mm.

圖8 地表下沉曲線Fig.8 Surface subsidence curve

圖9為工作面回采過程中的地表水平移動曲線。工作面開采初期，水平移動曲線較為平緩，出現(xiàn)兩個方向相反的極值。隨著工作面不斷推進(jìn)，地表水平移動量與地表影響范圍逐漸增大，下坡方向的極值向盆地邊緣移動。當(dāng)工作面推進(jìn)到坡底時，坡體滑移影響加劇，下坡方向的地表水平移動值和影響范圍較大，上坡方向的地表水平移動值和影響范圍較小，且由于坡體面出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致此時地表對應(yīng)的監(jiān)測點水平移動值出現(xiàn)突變。工作面回采結(jié)束后，地表最大水平移動量為4 170 mm.從圖9可以明顯看出，工作面回采階段，地表水平移動曲線關(guān)于零值點呈現(xiàn)出非反對稱狀態(tài)，下坡方向下沉值為零的點，水平移動值并不為零，甚至有很大的水平移動值，表明坡體下開采，地表受采動和地形的影響。地表的移動向量是指向采空區(qū)的移動分量和沿坡面指向下坡方向的矢量合成，地表水平移動存在著指向下坡方向的水平滑移量，這與作者在文獻(xiàn)[22]中采用相似模擬實驗所得的結(jié)論是一致的，表明PFC數(shù)值模擬軟件對地下采煤引起的覆巖破壞及地表移動變形研究是可信且正確的。

圖9 地表水平移動曲線Fig.9 Surface horizontal displacement curve

根據(jù)地表巖移資料，8092工作面開采結(jié)束后，實測地表最大下沉值為8 920 mm，最大水平移動量為3 800 mm.8#煤開采結(jié)束后數(shù)值模擬結(jié)果地表最大下沉值為9 020 mm，最大水平移動量為4 170 mm，通過對比可以得出數(shù)值模擬結(jié)果與實際相差不大。

3 斜坡變形破壞機(jī)理

通過對工作面回采階段采空區(qū)上方覆巖的變形破壞規(guī)律、支承壓力變化規(guī)律及位移分布規(guī)律進(jìn)行分析，得出特厚煤層條件下開采斜坡變形具有階段性，可以將斜坡的變形過程分為以下幾個階段：

1) 坡底拉裂破壞：工作面開采初期，采空區(qū)上覆巖層由于自重力下沉，地表黃土層隨之發(fā)生彎曲變形，同時坡體向采空區(qū)內(nèi)側(cè)移動。斜坡底部受采空區(qū)巖土體的拉應(yīng)力率先產(chǎn)生裂縫，如圖10(a).

2) 坡體牽引破壞：工作面推進(jìn)至坡體下方時，地表最大沉陷值位于采空區(qū)中心，坡底沉陷程度加深，受拉應(yīng)力增大作用裂縫繼續(xù)延伸。采動影響由坡底向坡體延伸，坡體受前方巖土體牽引作用產(chǎn)生拉張裂縫，破壞模式為牽引式破壞，如圖10(b).

圖10 斜坡變形破壞過程Fig.10 Slope deformation failure process

3) 坡頂滑動破壞：隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，采空區(qū)范圍不斷增大，上方坡體受下方坡體牽引作用向臨空面移動，坡頂產(chǎn)生拉張裂縫，同時坡底土體受采空區(qū)作用向斜坡內(nèi)移動，坡底受到雙向的擠壓，裂縫破壞加劇。工作面回采結(jié)束后，坡底裂縫與采空區(qū)聯(lián)通形成貫通性裂縫，坡體面與坡頂裂縫不斷延伸，坡體失穩(wěn)，并出現(xiàn)向下滑動的趨勢，如圖10(c).

4 結(jié)論

本文以西部某礦區(qū)8092工作面為背景，采用顆粒流軟件PFC建立了復(fù)雜斜坡條件下的數(shù)值計算模型，并分析了工作面推進(jìn)過程中的斜坡變形破壞特征及機(jī)理。主要結(jié)論如下：

1) 煤層開采階段，采空區(qū)上方覆巖破壞范圍呈拱形向上發(fā)育。斜坡底部率先受到采動影響產(chǎn)生裂縫，之后移動變形沿坡體由下往上發(fā)展，在坡體面與坡頂產(chǎn)生裂縫。煤層開采結(jié)束后，坡底裂縫與采空區(qū)聯(lián)通形成貫通性裂縫。

2) 直接頂周期垮落前，支承壓力分布較為規(guī)律，隨著工作面不斷推進(jìn)，采空區(qū)上方支承應(yīng)力變化相對于煤體中的應(yīng)力變化較為復(fù)雜，采空區(qū)前方最大支承壓力位置不斷向深部轉(zhuǎn)移，且工作面推進(jìn)至坡體正下方時，監(jiān)測點支承壓力峰值達(dá)到最大，之后支承壓力峰值會急劇下降。采場應(yīng)力的變化反映了覆巖結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化過程。

3) 斜坡下開采，地表下沉曲線呈現(xiàn)出不以采空區(qū)為中心的“V”字型，地表水平移動曲線關(guān)于零值的點呈現(xiàn)出非反對稱狀態(tài)。由于地表水平移動存在著指向下坡方向的水平滑移量，下坡方向下沉值為零的點，水平移動值并不為零，甚至有很大的水平移動值。

4) 特厚煤層條件下開采斜坡變形具有階段性，斜坡區(qū)經(jīng)歷了坡底拉裂破壞—坡體牽引破壞—坡頂滑動破壞的過程。顆粒流理論最大優(yōu)勢在于可以直觀看出覆巖結(jié)構(gòu)與裂隙發(fā)育的動態(tài)演化過程，更適用于研究采動覆巖非連續(xù)變形，對于采動裂縫的預(yù)測研究具有重要意義。