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第28卷 第4期 2009年8月 Vol. 28 No. 4 Aug. 2009 43 Journal of Shandong University of Science and Technology N a t u r al S ci e n c e 矿山开采覆岩应力拱演化规律研究 耿养谋 北京昊华能源股份有限公司,北京102300 摘 要根据京西矿区木城涧煤矿井下开采条件,利用离散元方法模拟了煤层开采过程中上覆岩层应力拱的演化 过程,并对覆岩的真实破坏和裂隙发育情况进行了可视探测。模拟表明,随着开采面积的增大,拱顶向上部空间不 断扩展,最终可稳定在开采煤层厚度的8倍左右范围内。现场采用钻孔摄像技术探测结果表明,覆岩裂隙发育不 均衡,呈现破裂区与完整区交替出现的情况,裂隙上限与离散元模拟的应力拱拱顶位置比较吻合。 关键词矿山开采;数值模拟;应力拱;裂隙;可视探测 中图分类号TD325 文献标志码A 文章编号16722376720090420043205 Study on Evolution Law of Stress Arch of Overlying Strata in Mines GENG Yang2mou Beijing Haohua Energy Source Co. Ltd. ,Beijing 102300 ,China Abstract Based on the underground mining conditions of Muchengjian Coalmine in Western Beijing , the discrete ele2 ment was used to simulate the evolution process of stress arch for the overlying strata and the real fracturing of overlying strata and the conditions of crack growth were detected visually. The simulation results indicated that the vault of stress arch extended upward continuously along with the increase of mining area and finally reached the stable state in the range about 8 times as much as the mining thickness of seam. The detection results by the bore2 hole camera showed that the development of cracks was non2homogeneous and the fractured zone and intact zone oc2 curred alternately in the overlying strata , and the real upper bound of cracks was close to the vault of stress arch in the numerical simulation. Key words mining; numerical simulation; stress arch; crack; visual detection 收稿日期2009205223 作者简介耿养谋1962 , 男,陕西长安人,高级工程师,主要从事特殊煤层开采工作. 在矿山开采过程中,随着矿藏资源的不断开挖,初始的岩体应力状态和覆岩结构必将遭到不同程度的破 坏,有关于覆岩破坏范围的研究对开采沉陷控制治理及矿井的安全生产具有重要意义。煤矿采动覆岩裂隙 的形成、 发展及其分布特征的研究,一直是近些年来关注的热点。郝延锦[1]通过对岩层移动及破坏现象的分 析,提出了动态计算离层位置的基本公式。张向东[2]根据流变理论和控制板梁组合理论,推导出了考虑时空 关系的岩层弯曲变形的表达形式。张庆松[3]采用ANSYS软件,模拟了随采场推进离层从产生到闭合的动 态发育规律。苏仲杰[4]采用RFPA软件,模拟了采动后形成的压力平衡拱内岩层应力。王忠昶[5]采用前端 泄露式多回路注水系统对导水裂隙带的破坏特征进行了连续探测。张健全[6]采用地面钻孔注水法分析了覆 岩离层起动角。由于采动覆岩移动及破坏是一个极其复杂的力学过程,具有极强的非线性和非连续性特点。 因此,研究方法应充分考虑岩体变形破坏的特征,才有望获得合理的结果,进而指导生产实践。现阶段,离散 元数值模拟被公认为是研究覆岩结构演化的最佳方法之一[728]。为此,本文结合京西矿区木城涧煤矿的实际 生产条件,采用UDEC软件模拟采场覆岩应力拱演化过程,并进行裂隙分布特征的现场钻孔探测。 1 UDEC模拟原理 UDEC是基于离散单元法的数值分析软件,采用离散块体来描述岩体,块体单元之间的接触在块体转 44 第28卷 第4期 2009年8月 Vol. 28 No. 4 Aug. 2009 动与移动的过程中不断调整,其方式可以为点对点、 点对边或者边对边,块体最终会达到平衡或者继续运动 直至发生失效为止。离散单元法的运动方程为牛顿第二定律,其力与位移之间的物理方程可表述为 FnKnUn ΔFsKsΔUs 。1 式中 Kn, Ks分别为节理法向刚度系数和剪切刚度系数; Fn,Un分别为法向受力和法向位移;ΔFs,ΔUs分别 为剪切力增量和剪切位移增量。 当岩块受到张力分离时,作用在岩块表面上的法向力与剪切力随即消失。对于塑性剪切破坏的情况,当 Fs≥CFntanφ时,块体之间将发生滑动,其中C为粘聚力,φ为内摩擦角。离散元法采用动态松弛法求 解,其基本运动方程为 m ut a ut kut f t 。2 式2中m为单元质量; u为位移;t为时间; a为附着系数; k为刚度; f为作用在块体上的负荷。 采用中心差异法,力和位移将随着时步不断循环迭代计算。假设tΔt时刻前式2中的f t ,u t , ut 及 ut 可通过下式得到 utΔ t Δ t 2 f t c 2Δt -m ut-Δ t [2m- k Δ t 2 ]ut / mcΔt/2。3 t时刻处 u t 和 ut 可表述为 ut utΔ t -ut-Δ t 2Δt ,4 ut utΔ t - 2 ut ut-Δ t Δ t 2 。5 岩体块体转动方程的形式与式3～式5相似。 2 数值模拟 2. 1 工程概况 木城涧煤矿千军台坑 570水平六石门二槽煤厚2～6 m ,局部在6 m以上,煤层倾角为8 ～20,采区东 以五石门为界,西到七石门以东的断层,南以 675 m煤层底板等高线为界,北至 600 m煤层底板等高线。 采用耙装法开采,平均采高3. 5 m ,采空区采用自然垮落法处理,煤层赋存及开采情况如图1所示。二槽与 上部三槽的层间距最大为3715 m ,最小为3013 m ,平均3315 m。二、 三槽之间的岩层主要由粉砂岩、 中粒砂 岩、 煤线等组成,分层性比较明显。 图1 二、 三槽煤层赋存情况剖面图 Fig. 1 The profile of hosting condition for No. 2 and No. 3 seams 由于京西矿区煤层赋存不稳定及 历史时期各种开采条件的限制,使得 木城涧煤矿 570水平六石门区域内 的底部二槽煤层先行回采,采用合理 的数值方法模拟二槽煤层开采后覆岩 的应力演化及裂隙分布规律,可以为 进行三槽底空条件下安全回采提供可 靠的指导。 2. 2 模型的建立 根据工程的实际地质概况,将模型视为二维平面问题。模型长150 m ,高100 m。模型边界两侧水平方 向固定,垂直方向自由;底面垂直约束,水平自由;顶面仅考虑上覆岩层的重力,取其平均容重为25 kN/ m3, 在模型的上方施加均布面荷载,取其大小为9 MPa。岩块的本构关系选用莫尔2库伦准则,节理模型采用节 理面接触库伦滑移模型。岩层节理简化为水平方向与竖直方向两组节理,对块体作可变形性假设,各岩层及 节理的材料属性参数设置如表1和表2所示。 耿养谋 矿山开采覆岩应力拱演化规律研究 45 Journal of Shandong University of Science and Technology N a t u r al S ci e n c e 表1 煤岩物理力学参数表 Tab. 1 The physical and mechanical parameters of coal and rock 材料及特性体积模量/ GPa剪切模量/ GPa内聚力/ MPa内摩擦φ / 密度/ kg/ m3抗拉强度/ MPa 粉砂岩1. 10. 63. 5282 5704. 0 中砂岩2. 61. 25. 8362 6006. 5 煤0. 680. 51. 2201 8002. 5 表2 各层节理的力学参数表 Tab. 2 The mechanical parameters of joints in seams 材料及特性法向刚度/ GPa切向刚度/ GPa内聚力/ MPa内摩擦角φ / 剪胀角 / 抗拉强度/ MPa 粉砂岩3. 52. 010800 中砂岩5. 53. 5401000 煤2. 01. 55300 2. 3 煤层开采覆岩应力拱演化模拟 开切眼处距煤层左端面25 m ,沿工作面从左至右逐步开挖,开挖步距为10 m ,开挖距离为100 m。图2 为工作面不同推进距离情况下的覆岩应力分布图。由图2可见,工作面推进至10 m时,应力影响范围比较 小,集中在开挖区域附近,呈现拱形分布,拱高为8 m ;随着工作面的推进,对上部岩层的影响区域逐渐变大, 在推进至20 m时拱高达到1513 m ,工作面推进50 m时拱高达到最大值2615 m ;由于上部岩层的弯曲下 图2 工作面不同推进距离时应力分布图 Fig. 2 The stress contribution at different distances of the face advance 46 第28卷 第4期 2009年8月 Vol. 28 No. 4 Aug. 2009 沉,拱高在随后的推进过程中又回落了015 m ,之后基本保持在26 m处,拱高为二槽煤采高的8倍左右;工 作面推进过程中,应力拱拱脚也在向前移动,变化范围主要在开采区外延接近5 m处。 在工作面的推进过程中,采空区上方岩层的重量将沿主应力线方向向两侧煤壁传递,主应力线方向为一 拱形,即形成应力平衡拱。由于平衡拱的存在,拱内岩体失去支撑并不受上位岩层的挤压作用,处于拉剪状 态,将在重力和水平应力的作用下沿层间弱面处产生不同程度的离层开裂等破坏形式;而拱外岩层由平衡拱 式结构的支撑,变形破坏的程度较弱,则处于相对稳定状态。 表3 钻孔摄像探测参数表 Tab. 3 The detective parameters of borehole camera 测点号12测点号12 3 东一壁 倾角 / 方位 探进深度/ m 层间深度/ m 竖直深度/ m 44 ← 9. 74 6. 86 7. 01 44 → 14. 07 9. 91 10. 12 东二壁 倾角 / 方位 探进深度/ m 层间深度/ m 竖直深度/ m 44 ← 13. 97 9. 83 10. 05 44 ↓ 11. 84 10. 04 8. 52 45 ← 6. 85 4. 74 5. 09 注→ 为沿煤层走向指向回采方向;↓ 为沿煤层倾向指向上山方向;← 为沿煤层走向指向采空区方向; ↑ 为沿煤层倾向指向下山方向。 表4 东一壁1号测点钻孔摄像探测情况表 Tab.4 The detective results of borehole camera at No.1 point in No.1 eastern face 分区序号 探测情况 厚度/ m累厚/ m岩石名称 破坏形式描述 垂直层间距方向折算系数0. 704 13. 853. 85粉砂岩孔壁完整,局部有小的结构面 22. 015. 86粉砂岩以小的结构面为主,伴随少量的裂隙 31. 97. 76粉砂岩孔壁破碎,以破碎带为主,局部有裂缝 41. 148. 9粉砂岩小的结构面 50. 849. 74粉砂岩孔壁破碎,出现较大的裂缝,孔底破碎 3 钻孔摄像探测 3. 1 测点布置 为了实际揭露覆岩 的裂隙发育及分布情况, 在三槽煤层掘巷过程中, 采用TXU75型液压钻 机对三槽底板进行钻探, 并利用YTJ20型岩层探 测记录仪进行了钻孔摄 像探测。在三槽东翼采 区的东一壁下顺槽布置 2个探测钻孔,东二壁下 顺槽布置3个探测钻孔, 探测方向及深度如表3 所示。 3. 2 探测结果分析 图3为东一壁下顺 槽1号钻孔的摄像剖面 图,表4记录了出现破裂 区域的部位的现场情况。可将该孔的探测结果分为5个破裂分区,并整体呈现完整区与破裂区交替出现的 情况。第一分区为0～3185 m ,岩层完整,仅局部有小的结构面,为 “完整区”;第二分区为3185～5186 m ,岩 层较完整,破坏以小的结构面为主,伴随少量的裂纹,为 “轻度破裂区”;第三分区为5186～7176m ,孔壁破碎, 图3 东一壁1号测点钻孔摄像探测图 Fig. 3 The detective pictures of borehole camera for No. 1 point in No. 1 eastern face 耿养谋 矿山开采覆岩应力拱演化规律研究 47 Journal of Shandong University of Science and Technology N a t u r al S ci e n c e 图4 东一壁1号测点钻孔摄像剖面图 Fig. 4 The detective profile of borehole camera at No. 1 point in No. 1 eastern face 破坏形式以破碎带为主,局部出现裂缝,为 “重度 破裂区”;第四分区为7176～819 m ,破坏形式与 第二分区相似,为 “轻度破裂区”;第五分区为819 ～9174 m ,孔壁破碎,出现了较大的裂缝,孔底破 碎,为 “重度破裂区” 。 完整区和轻度破裂区内仅有少量小的结构 面,局部存在小的裂纹,这些可能均为原生裂隙, 在二槽煤回采过程中,重度破裂区以上的岩层基 本上未受到采动影响,即为应力平衡拱的轮廓线 外部。如图4所示,该部位距二槽煤层直接顶的 距离为30 m左右,与离散元的模拟结果比较一 致。 4 结论 煤层开采后覆岩的应力呈现拱形分布,随着开采范围的增加,应力拱的拱顶在不断扩大、 拱脚不断前移, 拱高最终可稳定在煤层采高的8倍左右范围内。实际揭露的覆岩破坏形态为分区破裂,数值模拟的应力拱 拱高与现场探测得到的覆岩裂隙带的上限位置具有较好的对应性。将离散元方法模拟的应力拱高作为覆岩 裂隙发育高度的计算方式比较合适,可为同类矿井开采研究提供参考。 参考文献 [1]郝延锦,吴立新,胡金星.采动过程中离层出现的机理研究[J ].煤炭技术,1999 ,186 40241. 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