多煤层开采时岩层垮落过程的数值模拟.pdf

第20卷 第2期岩石力学与工程学报202 190～196 2001年3月Chinese Journal of Rock Mechanics and EngineeringMarch ,2001 多煤层开采时岩层垮落过程的数值模拟 3 刘红元1 唐春安1 , 2 芮勇勤1 1东北大学岩石破裂与失稳研究中心 沈阳 110006 2中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室 北京 100080 摘要 运用自行开发的岩层破断过程分析SFPA2D系统模拟了多煤层开采时岩层的垮落过程。 数值模拟结果表明, 虽然上部煤柱的存在改变了上覆岩层结构,但岩层的垮落仍具有明显的周期性,地表的水平移动和垂直下沉仍具有 明显的对称性;当垮落带高度达到上部煤柱后,可能出现大面积的垮落,产生较大的次生来压现象,从而影响下部 长壁工作面的安全。 通过和相似材料模拟以及理论分析结果的对比,本次数值模拟基本上反映了多煤层开采时采动 岩体的动态发展过程, SFPA2D系统可以作为模拟采动覆岩破坏过程的一种新方法。 关键词 覆岩破坏,数值模拟,支承压力,开采沉陷 分类号 TD 325 , O 242. 1 文献标识码 A 文章编号 10002691520010220190207 1 前 言 采动覆岩的垮落过程实际上是不断开挖卸荷状 态下的渐进破坏过程,要探索垮落规律就必须采用 所谓的 “过程分析” 方法研究其变形破坏过程。 过程 分析方法需要一种有效的手段来获取事物变化过程 中的信息,由于目前监测手段的局限性,现场监测与 相似材料模拟试验均不能获取分析问题所需的足够 信息[1]。 随着计算机技术的发展,数值模拟已成为过 程分析的有力手段。 数值模拟方法主要包括有限元方法和离散元方 法。 有限元法是迄今为止在应力和变形方面最为成 熟的方法之一。 如文[2]曾利用有限元方法研究支承 压力显现的过程,揭示其变化规律与上覆岩层运动 间的关系。 但是连续性和均匀性假设这两个致命弱 点一直限制着有限元在岩石力学领域的真正运用。 岩石内部存在着大量的微孔隙、 微裂纹等内部缺陷, 并在不同程度上受到非连续面的切割,这些都给岩 石变形过程的数值模拟带来了极大的困难。 对于具 有明显层理面和节理面并且只受低应力作用的岩体, 近年有了较快发展的离散单元法得到了较多应用。 文[1 , 3～6]等都利用了离散元法研究了岩层移动规 律及其冒落、 离层等问题。 但是离散单元法除了在参 数确定方面还有许多问题亟待解决外,更大的困难 还在于如何将岩层离散成符合实际的块体单元。 如 果有限元适宜于研究岩层破坏前的变形分析,那么 离散元则比较适宜于岩层破坏以后的运动分析,从 而使得这两种数值方法只给出数值计算的最终结果, 而不能进行过程模拟分析,这就使得许多理论与工 程问题的分析停留在 “结果分析” 的方法上。 而在岩 层从变形、 破坏直至运动过程的研究方面,目前还没 有比较成熟的数值模拟方法。 随着我国煤炭工业的高速发展,开采强度逐年 增大,矿井平均采深增加,有些煤矿的开采是在已采 煤层之下再行开采,这就形成多煤层开采问题。 如神 华集团大柳塔矿就是在房柱式采煤法采完122煤层 后,下部用长壁开采方法采222煤层[7]。 由于上部采 空区的存在,影响了下部煤层的安全开采。 本文旨在 用数值方法模拟多煤层开采时岩层的垮落过程,进 而说明SFPA2D系统可以模拟岩梁从端部和中部开裂 回转 触矸 冒落的破断过程,以及随着工作面 的推进采场的压力分布及显现、 上覆岩层移动的全 过程,可以作为一种研究采动覆岩破坏过程的新方 法。 2 煤岩力学参数的确定 本文所模拟的某煤矿房柱式采区上覆岩层层位 如图1所示,各岩层力学参数的选取参见文[7 ]。 开 1999年8月20日收到初稿, 1999年11月25日收到修改稿。 3 国家杰出青年基金59525408和中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室LNM开放基金资助项目。 作者 刘红元 简介男, 1974年生, 1997年于东北大学采矿系采矿工程专业获博士学位,现主要从事岩石破裂失稳机制及相关数值方法等方面 的研究工作。 图1 上覆岩层示意图 Fig. 1 Diagram of overburden strata 采方式为煤层群下行开采;上部煤层采用房柱式采 煤法,最大采高为7. 5 m ,留设永久煤柱;下部煤层 采用走向长壁采煤法,采高为4. 0 m ,垮落法顶板管 理。 上下煤层层间距为26 m ,下部煤层长壁工作面 推进速度为3 m/ d。 3 数值分析模型简介 本文运用SFPA2D系统来进行数值模拟, SFPA2D 系统是基于有限元的计算方法,但又不同于有限元 的基本思路[8 , 9]。 其基本思想是 1 通过考虑细观 单元力学参数弹性模量、 强度的非均质性,模拟 岩石宏观变形、 破坏的非线性行为 ; 2 通过考虑材 料破坏后单元的参数弱化包括刚度退化 , 模拟材 料的非连续和不可逆行为。 岩体是地壳的一部分,由于岩石的建造和改造, 使得岩体内出现了不连续面,具体表现为岩石的层 面、 断裂、 劈理、 节理等[10]。 因此,岩体具有复杂的 力学特性,如弹性、 塑性、 粘性等。 在理论研究中, 由于岩体地质结构和岩体工程结构的复杂性,人们 不得不将复杂的问题抽象成各种简单的问题来进行 理论分析。 如将岩层简化为弹性梁结构。 尽管数值 模拟方法在描述岩体的力学性质方面具有解析法无 可比拟的优越性,然而企图完全真实地描述岩体的 所有特性是不现实的,也没有必要,只能根据岩体 的生成特点和工程需求,抓住岩体的主要特征,对 其进行概化,得出工程岩体的等效介质模型。 从煤系地层的沉积过程来看,岩体具有明显的 “成层” 性,所以又称之为岩层。 地质学家把岩层定 义为 “由同一岩性组成的、 有两个平行或近于平行的 界面所限制的层状岩石”,即每一岩层具有相似的物 理力学性质。 若不考虑断层等大型地质构造的影响, 则不连续面中对地表沉陷贡献最大的是层面,而且 层面延展性强,分布范围广,因此可仅考虑分层效 应。 在过去的研究中,人们将每一岩层视为均质、 各 向同性线弹性体[11]。 然而,岩石具有明显的非线性 本构,将整个岩层视为均质、 各向同性的线弹性体 有失准确。 本文将各岩层视为非均质岩石,设定各层岩石 的力学性质单元的弹性及强度性质服从韦布尔分 布 Φc m , μ , 其中m为形状参数,反映岩石材料 力学性质的均质度, m越大,表明岩石的性质越均 匀;μ为反映岩石材料平均性质的参数。 在本模型 中,上部煤层 1 22煤层 第一步开采完毕,最大采高 为8 m ,留设永久煤柱,模拟在开采下部煤层 2 22煤 层时上部煤层已用房柱式采煤法采完的采矿条件。 下部煤层从第二步开始开采,采用分步开挖的方法, 每步开挖3 m ,采高为5 m ,模拟走向长壁采煤法时 采动所引起的岩层动态发展过程。 上下煤层层间距 为32 m。 具体模型的形状和参数分布如图2所示。 图中的灰度代表单元弹性模量值的大小,灰度越高, 模量值越大。 图2 上覆岩层的数值模拟模型 Fig. 2 Numerical model of overburden strata 4 数值模拟结果及分析 本文应用SFPA2D系统模拟了多煤层开采时采动 岩体的动态发展过程,具体的数值模拟结果如图3 所示。 4. 1 模拟现象简述 随着工作面推进,破坏首先从岩梁两端及岩梁 中下部出现拉破坏区,见图 3 a 。 随着推进距离的 加大,直接顶初次垮落,垮落带高度为2 m ,以后直 接顶随采随冒,见图3b , c。 工作面推进至51 m 时,老顶初次来压,见图 3 d 。 随着工作面的进一 步推进,上位顶板在煤壁附近出现破坏点,见图3 191第20卷 第2期 刘红元等.多煤层开采时岩层垮落过程的数值模拟 图3 覆岩破坏过程的数值模拟 Fig. 3 Numerical simulation of overburden failureprocess e。 而后,老顶出现第一次周期来压,见图 3 f 。 随着工作面的继续向前推进,老顶出现第二次周期 来压,垮落带高度接近上方房柱式开采保留煤柱, 见图 3 g 。从数值模拟的岩层垮落过程中可以看 出,在垮落带高度接近保留煤柱位置之前,随着下部 工作面的推进,采空区面积的扩大,顶板岩层的垮落 仍具有明显的周期性。 这与相似材料的模拟结果[10] 是一致的。 当工作面继续向前推进时,煤柱上方岩 层突然出现大面积垮落,见图 3 j 。 这是由于上部 岩层的结构引起的,因此属于 “次生来压”,这种来 压伴随着较大的能量释放,对下部煤层长壁工作面 的开采有较大影响。 相似材料的模拟也得到类似的 结果[10]。 当工作面再继续向前推进时,岩层又呈现 出周期垮落,见图 3l 。 291岩石力学与工程学报 2001年 4. 2 工作面推进过程中支承压力发展的规律 随着采场工作面的推进,通过处于相对稳定状 态的老顶岩梁传递至煤层上的压力逐渐增加。 但是, 由于各点的应力没有达到煤体的破坏极限,因此, 包括煤壁在内的整个煤层都处于弹性压缩状态,支 承压力分布是一条高峰在煤壁处的单调下降曲线, 如图4a , b所示,以及c , d , e , f的右煤 壁所示。 随着采场工作面的进一步推进,靠煤壁附近的 应力值达到了煤层的强度极限,随着煤体的破坏, 其支承能力开始降低,如图4 c , d所示。 岩梁断 裂结束时,以断裂线为界将支承压力分布明显地分 为两个部分,即在断裂线与煤壁之间由已断裂岩梁 自重所决定的 “内应力场”,以及在断裂线外由上覆 岩层整体重量所决定的 “外应力场”,如图 4 e 的左 边界煤柱所示。 两应力场形成后,随工作面推进,各 自的应力高峰以断裂线为界向相反的方向发展,如 图4f , g , h的左边界煤壁所示。 上述的数值模 拟结果与理论分析的结果[12]是一致的。 当垮落带的高度接近上部煤柱时,工作面继续 向前推进,由于上部岩层的结构引起了大面积的垮 落,从而使工作面一侧的煤壁出现较大的塑性区, 降低了煤壁的承载能力,如图4g , h , i , j所 示。 在采空区中的应力为垮落的岩层充填采空区后 形成的矸石上的应力,它承担上方冒落岩体的重量, 如图4g , h , i , k , l所示。 图4 长壁工作面推进时支承压力变化 Fig. 4 Variation of supporting stress with advance of longwall face 391第20卷 第2期 刘红元等.多煤层开采时岩层垮落过程的数值模拟 4. 3 工作面推进时上部煤柱应力变化特点 随着下部工作面的推进,左边界煤柱的应力缓 慢增加,如从图 5a 中的1. 1 MPa增加到图 5l 中 的2 MPa左右由于本文的数值模拟模型考虑了岩 石的非均质性,所以应力曲线不是一条平滑的曲线, 而是在一定的范围内波动。 随着工作面的进一步推 进,左边界煤柱靠近工作面一侧煤柱的应力又开始 缓慢下降,说明当下部煤层采空后,顶板岩层出现 挠曲现象,引起应力的重新分布。 挠曲引起的支承 压力作用于煤壁边缘,引起边界煤柱靠近工作面一 侧煤柱上的应力升高,如图5 a , b所示,但随着 垮落带高度的发展,支承压力的作用位置逐渐向煤 壁内部转移,煤壁边缘出现塑性区,所以边界煤柱 靠近工作面一侧的应力又缓慢下降,如图5 c , d , e , f所示。 从图5中可以看出,煤柱1～9在工作面推进过 程中均为 “凸” 字形,说明煤柱的边缘出现塑性区, 挠曲产生的支承压力引起煤柱的应力增加,其作用 峰值位置略微向煤壁内部转移。 受采动的影响,煤 柱1～9所受的应力先是随着采空区的增大逐渐升 高,垮落后煤柱的应力又逐渐降低。 随着上位岩层 的进一步垮落,先垮落的煤柱充当矸石的作用,煤 柱承担部分垮落岩层,因此其上的应力又有所增加。 随着工作面的推进,具体各煤柱上的应力发展变化 图5 长壁工作面推进时上部煤柱应力的变化 Fig. 5 Variation of pillar stress with advance of lower longwall face 491岩石力学与工程学报 2001年 图6 地表岩层的水平移动曲线 图7 地表岩层的垂直下沉曲线 Fig. 6 Horizontal movement of surface strata Fig. 7 Vertical subsidence curve of surface strata 如图5所示。 4. 4 上覆岩层水平移动与地表下沉 在下部长壁工作面推进距离很小时,地表的水 平移动和垂直下沉主要受上部房柱式开采的影响。 如图6 , 7中系列1 , 2所示。 随着工作面推进距离的 加大,地表的移动主要受下部长壁工作面的影响。 因为此时的水平移动曲线和垂直下沉曲线的对称点 的位置明显变化,如图6 , 7中1 , 2以后的系列所 示。 数值模拟结果表明,随着长壁工作面的推进,地 表的水平移动和垂直下沉量逐渐增加,尽管上部煤 柱的存在改变了上覆岩层结构,但地表水平移动和 垂直下沉仍具有明显的对称性,说明222煤层长壁开 采对上覆岩层的破坏起主要作用, 122煤层中煤柱的 存在对覆岩移动的影响不大。 5 结 论 本文通过SFPA2D系统用数值方法模拟了多煤层 开采时岩梁破断过程以及随着工作面的推进采场的 压力分布、 显现及上覆岩层移动的全过程。 通过和 相似材料模拟以及理论分析的对比,本文的数值模 拟基本上反映了采动岩体的动态发展过程,所开发 的SFPA2D系统可以作为一种研究采动覆岩破坏过程 的新方法。 本次模拟得出了如下结论 房柱式采区的存在虽然改变了上覆岩层的结构, 但下部开采时所引起的岩层垮落高度接近上部煤柱 前,覆岩层的周期来压现象仍很明显,地表的水平 移动和垂直下沉仍具有明显的对称性。 在长壁工作 面老顶的某次大规模周期来压发生后,可能会发生 破坏力较大的次生来压现象,这种来压对工作面有 一定的危险性。 工作面推进过程中煤壁处的支承压力及其显现 呈现出规律性的变化,处于垮落带上方煤柱的应力 往往降低;而处于岩梁前方下部煤层顶板发生大 规模周期来压时,煤体及其上方煤柱的应力将升高。 参考文献 1林崇德.层状岩石顶板破坏机理数值模拟过程分析[J ].岩石力 学与工程学报, 1999 , 184 392～396 2宋 杨,宋振骐.采场支撑压力显现规律与上覆岩层运动的关 系[J ].煤炭学报, 1991 , 91 47～56 3王泳嘉,邢纪波.离散单元法及其在岩土力学中的应用[M].沈 阳东北工学院出版社, 1991 , 1～4 4张玉卓.煤矿上覆岩层运动竖向不连续位移分析[A].见谢和 平主编.跨世纪的矿业科学与高新技术[C].北京煤炭工业出 版社, 1996 , 10～15 5麻凤海,范学理,王泳嘉.岩层移动动态过程的离散单元法分析 [J ].煤炭学报, 1996 , 214 388～392 6古全忠,史元伟,齐庆新.放顶煤采场顶板运动规律的研究[J ]. 煤炭学报, 1996 , 211 45～50 7王明立.房柱式采煤法煤柱稳定性及覆岩破坏规律研究[博士学 位论文][D].北京煤炭科学研究总院, 1999 8唐春安.岩石破裂过程声发射的数值模拟研究[J ].岩石力学与 工程学报, 1997 , 164 368～378 9Tang C A. Numerical simulation of rock failure and associated seis2 micity[J ]. Int J Rock Mech.现在上海交通大学船舶与海 洋工程学院从事计算结构力学方面的教学和科研工作。 691岩石力学与工程学报 2001年