浅埋煤层厚硬顶板破断与冒落的数值模拟.pdf

收稿日期 ２００４ － ０７ － ０９ 作者简介 朱庆华（１９６２ － ） ，现任徐矿集团垞城矿矿长 ，总工程师 ，中国矿业大学在读博士 ，主要从事矿山开采及采动岩体力学研究 。 文章编号 １００３ － ５９２３（２００４）０４ － ００１７ － ０３ 浅埋煤层厚硬顶板破断与冒落的数值模拟 朱庆华 ， 王继承 ， 马占国 （中国矿业大学 ， 江苏 徐州 ２２１００８） 摘 要 基于采场覆岩的弹性模量 、 泊松比 、 抗压强度等参数服从 Weibul 分布的假设 ， 运用岩体破裂过程 分析（RFPA２D）系统 ， 模拟浅埋厚硬顶板冒落与支承压力的动态变化规律 ， 分析了浅埋煤层厚硬顶板的破断机 理 。 研究表明 浅埋煤层厚硬顶板的破断与冒落规律与普通埋深煤层中覆岩的破断与冒落规律有显著差异 ， 其初次破断与冒落形态为拱形 ， 周期破断与冒落呈全厚切落和拱形交替发生 。 这些研究对西部大量浅埋煤层 矿区矿压控制具有重要的参考价值 。 关键词 浅埋煤层 ； 厚硬顶板 ； 破断机理 ； 矿山压力 中图分类号 TD３２３ 文献标识码 A 随着中国煤炭资源开发战略的西移 ， 浅埋煤层 采场覆岩运动规律已成为西部矿区安全生产亟待 解决的重大关键技术问题之一 。 以往有关研究较 多关注浅埋深 、 薄基岩 、上覆厚松散沙层等赋存特 征 ， 认为长壁工作面普遍有台阶下沉现象 ，矿压显 现剧烈 。 但是 ， 对于浅埋深 、 厚硬顶板 、 厚砂砾层等 赋存条件下 ， 覆岩破断与冒落规律的研究较少 。 因 此 ， 研究浅埋煤层厚硬顶板的破断与冒落规律具有 重要的实际应用价值 。 1 开采地质条件与矿压分析模型 表 １ 为我国西部某矿钻孔岩层岩性参数 。 根 据钻孔资料 ， 建立了覆岩破断规律分析的平面应变 矿压模型见图 １ ，采用岩体破裂过程分析 （RF唱 PA ２D ）系统进行计算 。 模型被划分为正方形网格 共 ５００ １３０ ＝ ６５０００ 个 ，上边界自由 ，两端和底边 固定约束 。 模拟煤层从左到右开挖 ， 每个开挖步距 为 １０ m 。 岩层与岩层之间设有强弱不等的层理 。 表 １ 钻孔岩层岩性参数 岩性 厚度 ／m 弹模 ／MPa 抗压／拉强度 ／MPa 泊松比 自重 ／kN m－ ３ 摩擦角 ／（） 渗透系数 孔隙率 ／ ％ 孔隙水压 系数 备注 砂砾层１０ ． ２１０００２００ ． ２５２０３００ ． １５ ． ００ ． ５ 细砂层１５ ． ３２０００２５０ ． ２５２０２８０ ． １６ ． ００ ． ５ 粗砂砾层２ ． ９３０００２７ ． ０８０ ． ２５２０３００ ． １１２ ． ００ ． ５ 中砂岩２６ ． ３５０００３０ ． ２／１ ． ６８０ ． ２５２２３８ ． ４０１ ． ０１１ ． ００ ． ９风化带 粉砂岩８ ． ７５１００００６１ ． ３／１ ． ８１０ ． ２５２５ ． ７８３４ ． ３６０ ． ５５ ． ０９０ ． ５ 粗砂岩４３ ． ５８０００２４／１ ． ３５０ ． ３２２ ． ８４３６ ． ３００ ． ２１３ ． １８０ ． ８ 泥岩０ ． ５４４０００２００ ． ３２６２５０ ． ００１２ ． ００ ． ５ 煤下１３ ． ６１２５００３００ ． ２１４ ． ７３５０ ． １１０ ． ００ ． ５ 粉砂岩５ ． ３４１００００４５ ． ８／２ ． １０ ． ２２５ ． １３３２ ． １３０ ． ５６ ． ０１０ ． ５ 煤下２１ ． ７５２５００３００ ． ２１４ ． ７３５０ ． １１０ ． ００ ． ５ 粉砂岩１０ ． ３８１００００５４ ． ８／２ ． ５５０ ． ２５２５ ． ０５３２ ． ３７０ ． ５６ ． ０５０ ． ５ 2 采场覆岩破断全过程数值模拟结果 根据平面应变矿压模型 ，由 RFPA ２D 数值分析 软件模拟采场覆岩破断垮落全过程 。 将具体给出 各模型的破断垮落过程的图像及支承压力分布曲 线 ， 并总结分析其矿压显现规律 。 2 ． 1 覆岩的破断过程及支承压力 煤下１ 一次采全高时采动覆岩破断过程及支 承压力分布曲线见图 ２ ， 图中的黑色部分包含空隙 或弹模为零两种情况 。 从图中可以看到 （１） 当采场推进至 ６０ m ，部分直接顶出现垮 落 ， 并有显著离层 ； （２） 当采场推进至 ９０ m ，直接顶充分垮落 ，顶 板出现拱形破断与冒落 ， 此时动压系数 k 较小 ，k ＝ ７１矿山压力与顶板管理 ２００４ ．№ ４ 图 １ 覆岩破断规律分析的数值模型 图 ２ 采动覆岩破断过程及支承压力分布 （a） 采场推进 １０ m ； （b） 采场推进 ９０ m ； （c） 采场推进 １５０ m ； （d） 采场推进 ２００ m ３ ． ７５ ， 断裂线在采空区 ， 采场发生初次来压 ； （３） 当采场推进至 １００ m ，顶板上部岩层中出 现明显损伤破断现象 ； （４） 随着采场继续推进 ，覆岩裂纹十分发育 ， 其中可以看到难垮厚岩层（顶板）对采场工作面的 悬臂掩护现象 ；当采场推进至 １５０ m ，发生第一次 周期性垮落 ， 垮落步距（块长）约 ６０ m ， 属于大块破 断与冒落 ， 发生顶板沿煤壁全厚切落现象 ，动压系 数达到 ２７ ， 对矿压控制最为不利 ； （５） 当采场推进至 １９０ m ，老顶发生第二次周 期性垮落 ， 垮落步距（块长）约 ２５ m ， 属于短块状破 断与冒落 ， 断裂线在工作面后方 ； （６） 当采场推进至 ２００ m ，支承压力峰值降到 １５ ． ７ MPa 。 2 ． 2 覆岩的破断过程及剪应力分布 煤下１ 一次采全高时采动覆岩破断过程及剪 应力分布曲线见图 ３ 。 从图中可以看到 （１） 当采场推进至 ６０ m ，部分直接顶出现垮 落 ， 采场围岩应力呈上下对称拱形分布 ； （２） 当采场推进至 ９０ m ，直接顶充分垮落 ，顶 板出现拉伸裂纹 ，剪应力峰值明显增加 ，发生初次 来压 ； （３） 随着采场继续推进 ， 可以看到难垮厚岩层 （顶板）上的剪应力逐渐增加 ； 采场推进至 １５０ m ８１ ２００４ ．№ ４ 矿山压力与顶板管理 图 ３ 采动覆岩破断过程及剪应力分布 （a） 采场推进 １０ m ； （b） 采场推进 ９０ m ； （c） 采场推进 １５０ m ； （d） 采场推进 ２００ m 时 ， 顶板上部先在煤壁前方 ５ m 处产生拉破坏裂 纹 ； 当裂纹扩展到距煤层 １０ m 左右时 ，剪应力约 ４０ MPa ， 顶板发生沿煤壁的整体切落 ， 引起地表突 然沉陷 ； （４） 当采场推进至 １９０ m ，发生第二次周期性 垮落 ， 长约 ２５ m 的岩块垮落 ，工作面煤壁上方的 剪应力达到 ３５ MPa ； （５） 当采场推进至 ２００ m ，第二次周期来压 后 ， 剪应力总体呈下降趋势 ；但由于工作面上方覆 岩呈悬臂支承结构 ， 顶板上的剪应力仍保持在较高 水平 ， 达到 １５ MPa 。 3 结论 浅埋煤层厚硬顶板条件下覆岩的破断与冒落 规律与普通埋深煤层中覆岩的破断与冒落规律有 显著差异 ， 其初次破断与冒落形态为拱形 ，周期破 断与冒落呈全厚切落和拱形交替发生 。 浅埋煤层 厚硬顶板的破断与冒落模式有三种 （１）拱形破断 与冒落 ， 此时动压系数较小 ， 断裂线在采空区 ， 顶板 为拉伸破坏 ； （２）短块状破断与冒落 ， 断裂线在工作 面后部 ， 顶板为拉伸破坏 ；（３）大块破断与冒落 ，顶 板由上部拉伸破坏过渡到下部的剪切破坏 ， 动压系 数较大 ， 且易发生顶板沿煤壁全厚切落现象 ，对矿 压控制最为不利 。 参考文献 ［１］ 钱鸣高 ，缪 协 兴 ，许 家 林 ． 岩 层 控 制的 关 键 层 理 论［ M ］ ． 徐 州 中国矿业大学出版社 ， ２００３ ． ［２］ 钱鸣高 ，刘听成 ．矿山压力及其控制［ M］ ． 北京 煤炭工业出 版社 ， ２００１ ． ［３］ 唐春安 ，王 述 红 ，傅 宇 方 ． 岩 石 破 裂过 程 数 值 实 验［ M ］ ． 北 京 科学出版社 ， ２００３ ． ［４］ 唐春安 ，赵文 ． 岩石破 裂全过程分 析软件系统 RFPA２D［J］ ． 岩石力学与工程学报 ， １９９７ ， １６（５） ５０７ － ５０８ ． ［５］ 缪协兴 ，钱鸣高 ．采场围岩整体结构与砌体梁力学模型［J］ ． 矿山压力与顶板管理 ， １９９５ ， （３ － ４） １ － ４ ． ［６］ 黄明利 ，唐春安 ，朱万成 ．岩石破裂过程的数值模拟研究［J］ ． 岩石力学与工程学报 ， ２０００ ， １９（４） ４６８ － ４７１ ． ［７］ 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 ， （６） ４０ － ４１ ． ［８］ 滕永海 ，阎振斌 ．采动过程中覆岩离层发育规律的研究［J］ ． 煤炭学报 ， １９９９ ， ２４（１） ２５ － ２８ ． ９１矿山压力与顶板管理 ２００４ ．№ ４