深部开采底板岩层损伤破裂演化过程模拟研究.pdf

2 0 1 5 年第 1 0 期 中州煤炭 总第2 3 8 期 深部 开采底板岩层损伤 破裂演化过程模 拟研 究 霍 志超 ， 刘遵利 ， 胡 强 强， 刘 军军 山东省煤炭技 术服务有 限公 司 ， 山东 济 南 2 5 0 0 3 2 摘要 随着开采水平的延伸和开采范 围的扩大 ， 底板 岩体透水 性增大 ， 承 压水严 重威胁工作 面。为 了深 化对 深井底板损伤破裂 的认识 ， 以山东东 山矿业王楼 煤矿 1 1 3 0 1工 作面底 板岩 层为 研究对 象 ， 采用理 论分 析和 R F P A数值模 拟等技术 手段对底板 岩层损伤破 裂演化过 程及破坏规 律进行研 究。研究认 为 底板 岩体 是一 个损伤体 ， 底板的破坏是原生缺陷扩展演化 的结果 ， 底板 中的最大主应力 和剪应力 集中于煤壁 附近 ， 且 随深 度递减 ， 其破 裂深度取决于底板高峰支承压力分布 ， 存在 上限。 关键词 底板岩层； 应力分布 ； 损伤破裂 ； 数值模 拟 中图 分 类 号 T D3 2 5 文 献标 志 码 A 文 章 编 号 1 0 0 30 5 0 6 2 0 1 5 1 00 0 6 80 3 Si m u l a t i o n Re s e a r c h o n Ev o l u t i o n Pr o c e s s o f Fl o o r Ro c k Da m a g e a n d Fa i l u r e i n De e p M i ni ng H u o Z h i c h a o ， L i u Z u n l i ， H u Q i a n g q i a n g ， L i u J u n j u n S h a n d o n g P r o v i n c i a l C o a l T e c h n o l o g y S e r v i c e s C o ．， L t d ．， J i n a n 2 5 0 0 3 2， C h i n a Abs t r a c t W i t h t he e x p a n s i o n o f mi n i n g l e ve l s e x t e n d e d a n d r a n g e d， t he i n c r e a s i n g o f flo o r r o c k ma s s pe r me a b i l i t y， c o n fin e d wa t e r t h r e a t s t h e wo r k i n g f a c e ． To de e pe n t he un d e r s t a n di n g o f d e e p s h a ft S flo o r r up t ur e d a ma g e， t a ki n g 1 1 3 01 wo r ki n g f a c e flo o r s t r a t a i n Wa n g | o u Co a l Mi n e o f D o n g s h a n Mi n e I n d u s t r y i n S h a n d o n g P r o v i n c e a s t h e r e s e a r c h o b j e c t ， t h e e v o l u t i o n p r o c e s s o f r o c k d a ma g e a n d f a i l u r e l a w o f bo t t o m flo o r r u p t u r e wa s s t u di e d by t h e o r e t i c a l a na l y s i s a n d n ume r i c a l s i mul a t i o n wi t h RIF 、 PA t e c h n o l o g y Re s ul t s o f s t u dy s u g g e s t t ha t b o t t o m flo o r r o c k ma s s i s a da ma g e d b o dy． flo o r d a ma g e i s e x t e n de d f r o m t h e e v o l ut i o n o f de f e c t s． t h e ma x i mu m p r i n c i p a l s t r e s s a n d s he a r s t r e s s o f t he flo o r c o n c e n t r a t e i n c o a l ne a r t he wa l l ， a nd wi t h t h e d e c l i n e o f d e p t h， t h e r up t u r e d e p t h d e p e nd s o n t he pe a k a bu t me n t p r e s s ur e d i s t r i b u t i o n o f flo o r ， wh i c h ha s a n up pe r l i mi t ． Ke ywo r ds flo o r s t r a t a； s t r e s s di s t r i bu t i o n； d a ma g e a n d f r a c t ur e； nu me r i c a l s i mu l a t i o n 我 国煤 炭 需求 量 大 ， 进 入 下 组 煤 开采 后 奥 灰 水 严 重 威胁 工作 面 ， 底 板 突水 问题 日趋严 重 ， 底 板 岩层 成 为主要研 究 对象 。荆 自刚 、 李 白英 等 ⋯ 提 出底 板 “ 下 三带 ” 理论 ， 并得 到 了底 板 破 坏深 度 与 工作 面 斜 长之 间 的线 性 关 系 。程 久 龙 等 结 合 单 孔 声 波 和 分段 注水 测漏 两种 方法 来研 究底 板岩体 损 伤破 裂动 态演 化过 程 。唐 鑫 等 结 合 现 场 实 测 数 据 及 煤 层 不 同深度 的超 前段 底 板 超 声 图像 观测 规 律 ， 研 究 受 采动影响底板岩层损伤破裂深度。刘伟韬等 采 用 双端封 堵 注水探 测 法 ， 结 合 原 有 钻 探 资 料 实现 了 对 工作 面 内原位测 试底 板破 坏深 度 的探测 研究 。冯 收稿 日期 2 0 1 5 0 71 8 作者简介 霍 志超 1 9 8 7 一 ， 男 ， 山东 东明人 ， 助理 工程 师， 2 0 1 4年 毕业于山东科技大学 ， 现从事矿山安全检测及灾害 防治等方面工作 。 6 8 梅 梅 等 采 用 压 力 水 袋 模 拟 承 压 水 作 用 于 底 板 隔 水 层 ， 来研 究煤 层底 板 损 伤 破 裂情 况 。左 人 宇 采 用 F L A C数值模拟软件综合考虑 各因素， 研究煤层 底 板损 伤破 裂深 度 。煤层 底板 岩体 本身 就是 一个 富 含 节 理和 裂隙 的 不 连续 体 ， 本 文 采 用 R F P A 数 值 模 拟软 件对底 板 岩层损 伤破 裂演 化过 程及 破坏 规律 进 行 研 究 。 1 工程背景 王楼 煤 矿 1 1 3 0 1工作 面揭 露 煤 层 厚 度 1 ． 8 5～ 2 ． 0 0 IT I ， 煤层 厚度 稳定 ， 结构 简单 ， 顶板 主 要为 泥岩 、 粉砂 岩 ， 偶 有 中 、 细 砂 岩 ， 底 板 为 泥 岩 和 砂 质 泥 岩 。 煤层 埋深 9 5 7 ． 4 3 13 1 ， 采全 厚 ， 1 1 3 0 1 T作 面推 进长 度 7 0 4 m， 工作 面 宽 1 2 0 m， 周 围 均 为 未 采 区 。工 作 面 采用 长壁 后退 式综 合 机 械 化 采 煤 方 法 ， 全 部垮 落 法 2 O l 5 4 i - l 0期 霍 志超 ， 等 深 部开 采底 板岩层 损 伤破 裂演 化过 程模 拟研 究 总筇 2 3 8期 控 制 顶板 2 采 动 底 板 岩 体 应 力 状 态 模 拟 分 析 埘 K r 作 面初 次来 和 周期 来 阶段 的底 板 J 、 力状 态进 行 模拟 研究 ， 运 F I J A C 数 值模 拟 软件 和 F e p l o t 后 处理 软件 得到 应 力分布 罔 1 一 『 錾 1 4 。 图 l 初 次 来 压 时 的 顶 底 板 垂 直 应 力 分 布 图 2 初 次 来 压 时 的 顶 底 板 水 平 应 力 分 布 图 3 周期来压时的顶底板垂直应 力分布 图 4 周 期 来 压 时 的 顶 底 板 水 平 应 力 分 布 模拟 结 果 表 明 ， 煤 层底 板岩 体 的 应 力具 有 以下 规律 1 由 图 l可 知 ． 开 切 眼 处 和 丁 作 面前 方 煤 壁 处两 端 的底板 应 力相互 影 响 ， 应 力相对集 中 ， 沿煤 壁 向 内倾斜 。 2 由冈 2可知 ， 开 切 眼及 工 作 面 处 的煤 壁 内 部 的应 力集 中 ， 采空 区浅 部岩 层应 力为拉 应 力 ， 但 水 平 应 力较小 ， 冈此影 响深 度较 小 。 3 由罔 3可 知 ， 底 板 岩 体 的垂 直 应 力 等 值线 以煤 壁 处 为 界， 分 为斜 向煤 壁前 方 集 [ I 1 Ⅸ 与 斜 向 采 空 区一侧 卸 载 区 的 气泡 型 ， 煤 壁 处 的 底板 浅 部 两边 应 力方 向相 反 ， 作用 形式 不 同。 4 由图 4可 知 ， 与 初 次 来 压 时 水 平 应 力 的 分 布 不 同 ， 变化 趋 势和 图 3所 示 的 周期 来 压时 的 垂 直 应 力类 似 ， 应力集 中与卸 压的程 度 比初次 来 压时低 ， 影 响深 度也较 初 次来压 时低 。 3 采场底板应 力变化数值模拟 R F P A可 以实现 非均 匀 性 材料 破 坏 过 程 的数 值 模拟 过 程 。本 文采用 R F P A软 件模拟 完 整型 底板 和损 伤 型底板 在 底 板 岩层 中加 入 4条方 向 、 大小 、 深 浅不一 的 裂 隙 ， 模 拟 底 板 中 裂 隙 的各 向 异性 在 开 采过 程 中的应 力 变 化 ， 也 就是 模 拟 底 饭 在 应 力 和 应 力一损 伤 2种 状 态 下 的底 板 损伤 破 裂 过 程 ， 然后 分 别对 其在 采 动中 的最 大 主应 力 和剪切 应 力变化进 行 分析 ， 找 底板 破坏 规律 。 3 ． 1模 型的 建立 根据 王楼 煤 矿 l 1 3 0 l T 作面 钻孔 揭露煤 层 顶 底 板 岩性 表 ， 对部 分岩层 进行 了均 匀化 及 整数 化处理 ， 数值 模 型 选取 的 各 岩 层 材 料 组 按 照 由上 到 下 的顺 序 ， 其 力学 参数 见 表 1 。所 建 R F P A ’ 数 值 分 析 模 型 见 图 5 ， 模 型水 平方 向 2 0 0 m， 垂直 方 向 l 1 0 m， 由一 f 到 下共 l 2层 ， 基 元 取 l m X l m， 总 基 元 数 2 2 0 0 0 个 ， 模 型 中亮 度越 高 表示 弹性模 量越 大 。 表 1 岩 石 力 学 参 数 模 拟过 程 采 用 R F P A 自带 的 “ 空 ” 单 元 对 煤 层 6 9 2 0 1 5年第 l O期 中州 煤 炭 总第 2 3 8期 进行 模拟 开挖 ， 开挖 方 向从 左 往 右 ， 开挖 长 度 为 1 0 0 m， 每步 开挖 l 0 I l l ， 共 开 挖 l 0步 。岩层 组 之 问设 定 了强弱 不等 的弱层 ， 取基 元 弹性模 量 、 单轴抗 压强 度 等按 We i b u l l 随 机 分 布 ， 来模 拟 岩 石 材 料 的 不 均 质 性 和各 向异性 。 图 5数 值 模 型 示 意 3 ． 2模 拟结 果分 析 图 6 、 图 7及 图 8 、 图 9分 别 为煤 层 完 整 型底 板 及 损伤 型底 板最 大主 应力 分布 网 、 剪 应力 分布 图 。 a 工作 面推进3 0 m I T作面推进5 0 n r 1 作面推进7 0m 图 6 完 整 底 板 最 大 主 应 力分 布 a 作面推进 3 0 n 1 h T作面推进5 0 n ， ] 作 断推进7 0 m 图 7 完 整 底 板 剪 切 应 力 分 布 a r 作面推进3 0 13 1 h T作面推进5 0 m c I 作面推进7 0m 图 8损伤底板最大主应力分布 a _ r 作 两推进3 0 n l b T作面推进5 0m t 、 工作面推进7 O m 图 9损伤 底板 剪切 应力分布 由以上模 拟分 析可 得 ， 在 煤层 正 常 回采 过程 中 ， 煤层 底板 中 的应力 变化 规律 如下 。 7 0 1 随着 工作 面 的推 进 ， 采 空 区增 大 ， 底板 中 的 前 后 支承压 力逐 渐增 大 ， 但 后者 小于前 者 ， 出现 前支 承压 力 比后 支 承压力 高 的现象 。 2 支 承压 力 向下 呈 递 减 趋 势 ， 支 承 压 力 作 用 随深 度递减 ， 但 其影 响范 围增 大。 3 底板 中的最大 主 应 力 和剪 应 力集 中于 开切 眼和前 方煤 壁 附 近 。最 大 主应 力 向煤 体 下方 传 播 ， 传 播 角在 7 0 。 左右 。剪 应 力 向煤 壁 前 方 的底 板 中传 播 ， 传播角在 5 0 。 左 右， 随开采略有增加 ， 向深部 递 减 。 4 底板 岩层 损伤 破 裂 深度 取 决 于煤 层 开 采 后 底板 支承压 力 分布情 况 ， 随着 工作 面 的不 断推 进 ， 支 承 压力也往 前 移动 ， 对应 的应 力 区域 也依 次前 移 ， 底 板破 坏也 是往前 推 进 的 ， 所 以底板 损 伤 破 坏 深 度 存 在上 限 ， 而 不会 一直 向深 部破 坏 。 5 损 伤型底 板应 力 变 化 和破 坏 情 况较 完 整 型 底板 更为 明显 ， 随着 煤层 的开 采 ， 底 板损 伤破 坏更 为 严重 ， 且损 伤性 底板 沿着 裂隙 向深部 破 坏 。 4 结 论 1 煤层开采前 ， 底板岩体处于原始平衡状态 ， 开采 后 ， 岩 层 的应 力 场会 重 新 分 布 ， 在 这 一 过程 中 ， 工作 面周 围岩 体会形 成应 力增 高 区 。随着工 作面 的 推进 ， 底板 重 复 出现 常压 原 岩区 一 增 压 压 缩 区 一 卸 压 膨 胀 区 一恢 复 实压 Ⅸ ， 如此 过 程造 成 r 底板 岩体 的变形 和 破 坏 ， 其 中前 两 个 阶段 更 是 底 板 裂 隙萌生 和贯通 的重 要 阶段 ， 在底 板 的损 伤 破 坏 中 充 当主要 动 力。 2 随着工 作面 正常 推 进 ， 采 空 区增 大 ， 底 板 中 的前后 支 承压 力逐 渐 增 大 ， 但 后 支 承压 力 的增 长 幅 度较 小 。支 承压 力作 用 随 深 度递 减 ， 但 作 用 区宽 度 增 大 。 3 最 大主应 力集 中 于煤 壁 附近 ， 在 回采 初期 、 顶板 运动前 ， 顶 底 板 具 有 一致 的应 力 状 态 。底 板 中 的剪 应力分 布 同样 也 是 在 煤壁 附近 集 中 ， 随 开 采 略 有增 加 ， 向深部 递减 。 4 底 板岩层 损伤 破 裂 深度 取 决 于 煤层 开 采 后 底 板 支承 压 力分 布情 况 ， 随着 工作 面 的不断 推进 ， 支 承压 力也往 前移 动 ， 对应 的应 力 区域 也 依次前 移 ， 底 板 破坏 也 是往前 推 进 的 ， 所 以底 板损 伤 破 坏 深 度 存 在上 限 ， 而 不会 一 直 向 深 部破 坏 。 且损 伤 型 底 板 应 力变 化和破 坏情 况 较 完 整 型底 板 更 为 明 显 ， 随 煤 层 的开 采 ， 底 板损 伤破 坏更 为严 重 。 下转 第 7 5页 2 0 l 5年第 1 0期 郭帆 。 等 煤矿 井下 三维 巷道 建模 技术 研 究 总第 2 3 8期 图 l 0异 轴 同 面 十 字 口建 模 效 果 图 l 1 异 轴 异 面 十 字 口建 模 效 果 3 ． 4三 维巷 道纹 理 本 文 中 二 三 维 巷 道 纹 理贴 图实 现 的方 法 ， 是 在 生 成 完成 每一 个 _维接 头模 型或 j维 巷道 弧段 后就 利 用 A r c G I S E n g i n e中的相 关 纹 理 映 射 接 口和 方 法 对 其 进 行 纹理 化 。在 A r c G I S E n g i n e中 ， 提 供 了 I G e n e r a l Mu l t i Pa t c h l n f o、I Ge o me t r y Ma t e r i a l L i s t 、I Ge o me t r y Ma t e r i a l 、 l G e n e r a l M u l t i P a t c h C r e a t 0 r等 接 口用 于 对 j 维模 型进 行 纹理 映射 。如 图 l 2所示 为创 建 纹 理 后 的 维巷 道 内部效 果 。 图 1 2三 维 巷 道 内 部贴 图 效 果 在完 成 j 维 巷道 接 头 、 弧 段 建模 以及 纹理 贴 图 后 ， 就 已经 完成 了 维 巷 道 建模 的整 个 过 程 。 以重 庆 盐 井一矿 井 下巷 道 数 据 为 例 ， 建 立 的 部分 三维 巷 道 系统 模 型如 图 1 3所示 。 4 结 语 C 1 l 图 l 3 部 分 三 维 巷 道 模 型 利用 A r c G I S M u l t i p a t c h多 面 体 模 型 、 巷 道 中心 线 网络数 据 和断 面数 据 ， 通 过 编 写 算 法 实现 了煤 矿 井 下 i维 巷道 自动 建 模 ， 基 本 解 决 了不 同 断 面类 型 巷道 接头 拼接 的难 题 ， 建立 的 i维 巷 道 模 型 基本 满 足煤 矿井 下建 模 的要 求 。在 建 立 维 巷道 模 型 时 ， 利用 了大 量 的拓扑 关 系 数 据 结 构 ， 为 后 续 的 飞行 漫 游 、 避 灾路 线计 算 、 应急 救援 等 三维应 用 和 々业 应用 提供 了数据 基 础 、 技 术 支持 。 参 考文献 马荣华 ， 黄杏元 ， 贾建华 ． 等． 矿山地理信息 系统中 巷道模 型的 研究 [ J ] ． 测绘学报 ， 2 0 0 0 ， 1 1 2 9 3 5 5 3 6 1 ． 姚建海． 煤矿 -二维巷道建模技术研究[ J ] ． 太原科技大学学 报 ， 2 0 0 9， 3 0 1 8 0 8 3 ． 汪云 甲， 付永明． 矿井巷道三维 自动建模方法研究 [ J ] ． 武 汉大 学学报 信息科学版 ， 2 0 0 6 ， 3 1 1 2 1 0 9 7 一 l 1 0 0 ． 汪云 甲， 郭达智 ， 邓喀中 ， 等． 我网矿 山测 量学科的发展 与创新 [ J ] ． 测绘通报 ， 2 0 0 5 2 1 - 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