基于FLAC3D的煤層開采覆巖破壞特征研究（精編版）

1、基于 flac3d 的煤層開采覆巖破壞特征研究【摘 要】本文分析了祁東煤礦7131 工作面工程地質(zhì)特征，建立工作面的三維地質(zhì)模型；根據(jù)工作面實測巖體力學參數(shù)及實際邊界條件，利用flac3d軟件對煤層開采引起的上覆巖體運移變形破壞特征進行了數(shù)值模擬；通過分析由此引起的塑性破壞、應力場變化、位移場量級變化，討論了工作面上覆巖體的“兩帶”發(fā)育范圍、破壞形式及變形特征。【關鍵詞】覆巖破壞；“兩帶”發(fā)育； flac3d ；數(shù)值模擬0 引言煤礦生產(chǎn)中煤層開采引起的上覆巖體變形破壞問題一直是與瓦斯、水害并列為三大主要問題，在我國各生產(chǎn)科研單位都對其進行專題研究并取得了很大的進展1，目前確定“兩帶”形態(tài)特征的

2、方法主要有經(jīng)驗公式、物理模擬、現(xiàn)場測試以及數(shù)值模擬方法2，常規(guī)方法局限頗多；近些年發(fā)展起來的數(shù)值模擬技術被很好的應用到這一領域中3。本文運用有限差分軟件 flac3d 模擬 7131 工作面煤層開采中上覆巖體變形破壞特征，實測數(shù)據(jù)表明此法在該例“兩帶”預測中效果良好。1 工程概況祁東煤礦一水平三采區(qū)7131 工作面作為模擬對象， 地面標高為+21m， 工作面標高 -393.8m-471.7m；走向長 1630m，傾斜長 160m；煤層結(jié)構(gòu)較簡單平均厚3.0m，產(chǎn)狀變化不大；傾角平均為12.5。礦井范圍內(nèi)為一單斜構(gòu)造，采用頂板全部垮落法機械化綜采。煤層頂板為復合型頂板，直接頂板為深灰色泥巖或細砂

3、巖，厚度不穩(wěn)定。老頂為為淺灰色砂巖平均厚16m。其上泥巖類巖層平均厚約20m。粉砂巖平均厚 12m。煤層底板為細粉砂巖。頂?shù)装寰植苛严栋l(fā)育，富水性弱。2 flac3d 數(shù)值模擬本次模擬通過有限差分計算模型建立與運行，命令流導出相關特性值圖像， 直觀反映 71 煤層開采過程中上覆巖體移動、變形、破壞等特征。2.1 模型的建立地質(zhì)模型的建立遵循綜合全面因素、簡化又反映實際，尺寸適合的原則。根據(jù)工作面特征，模型設計規(guī)格為 200（x）*100（y）*80（z） ，開采煤層厚度3.0m，埋深擬定為 400m，煤層底板預留深度15m，上覆巖層 62m，近水平模擬。模型如圖1。2.2 模型初始與邊界為盡可

4、能的真實體現(xiàn)地下空間開挖情況，更好地進行受力特性模擬和塑性流動分析，需人為封閉單元體，定義左右邊界為單約束邊界，取u=0，v0（u為 x 方向位移， v 為 y 方向位移）；底部邊界為全約束邊界，取 u=v=0；頂部為自由邊界。頂端施加等效荷載，即自重應力z=?h 式中，為上覆巖層重力密度取25kn/m3；h 為模型頂界距地表的深度，本例中h 為 400，在水平方向上施加由自重力產(chǎn)生的側(cè)向應力 x=?y 式中，為側(cè)壓系數(shù)，由 =/（1-）確定， 為泊松比，取值 0.3。2.3 本構(gòu)模型與力學參數(shù)選取本次研究確定煤系巖體的本構(gòu)模型選取較為實用的莫爾 -庫侖塑性模型，判別準則采用莫爾-庫侖屈服準則

5、描述。模型中各煤巖層的力學參數(shù)實驗室測定，見表 1。在未進行煤層開挖之前賦予全部屬性，得到初始地應力平衡狀態(tài)，反映原始地層未受擾動影響條件下原位應力分布情況， 見圖 2 所示顯現(xiàn)了 xx 、yy 、zz 三向主應力均值分布。2.4 模擬計算結(jié)果與分析本次計算開挖設計開挖步距為20m，共開挖 5 步計 100m，沿模型走向開挖兩端各預留50m 作為保護煤巖柱，兩側(cè)煤巖幫各預設35m。選取開挖 40m 和 100m 步長為典型代表，分別從塑性破壞、應力分布、位移變化三個方面來分析說明覆巖破壞隨空間和時間變化的動態(tài)過程。2.4.1 塑性破壞區(qū)模擬結(jié)果分析隨著工作面回采，煤層頂板相繼出現(xiàn)不同程度的破壞

6、，由下而上依次發(fā)育拉伸破壞和拉伸裂隙區(qū)可用于判斷垮落帶、裂隙帶的發(fā)育高度。圖3 為工作面沿走向推進的覆巖塑性破壞場模擬結(jié)果。頂板破壞類型以剪切與拉伸破壞為主，在煤壁前方和工作面后方塑性破壞形成典型的 “馬鞍”型破壞特征； 開挖到 100m時圖中顯示出了 5 個步距時段塑性破壞區(qū)域的特征，對應著“兩帶”分布區(qū)域特征。（a）推進 40m 塑性破壞（b）推進 100m 塑性破壞2.4.2 應力場模擬分析圖 4 為工作面推進時的垂直應力場模擬結(jié)果。在煤壁的前方和工作面后方產(chǎn)生一定的應力集中的“凸”型應力帶。隨著工作面推進采空區(qū)被填充壓實，前方形成超前移動的支撐壓力，在每一步開挖中都形成一個類似于“步距

7、”的應力帶，至開挖到100m 終止圖中記錄了 5 個填充步距的應力分布特征。大致可分為未受采動影響區(qū)、受采動影響區(qū)和受采動影響劇烈區(qū)。（a）推進 40m 垂向應力分布（b）推進 100m 垂向應力分布2.4.3 位移場模擬分析圖 5 所示為位移變化量級分布圖，從圖中清楚地看出，頂板巖體隨采位移變化特征，位移最大變化量始終在采空區(qū)正上方，兩幫形成了對上支撐致使側(cè)幫變形較??；隨開挖推進而依次向前發(fā)展，采空區(qū)前方巖體的下沉梯度較后方大，形成非對稱性分布隨工作面推進距離而增加，而后方經(jīng)壓實使得下沉量逐漸趨于一致?？傮w上頂板位移變化呈現(xiàn)出移動拱形的特征。（a）開挖 40m 位移量級圖（b）開挖 100m 位移量級圖3 結(jié)論通過數(shù)值模擬與分析，結(jié)合塑性破壞圖與位移變化圖，煤層開采上覆巖體塑性破壞總體上表現(xiàn)為“馬鞍”型特征，應力的重分布為兩端集中分布中間較小的類似拱形特征，位移場的變化體現(xiàn)出階段性特征，每一步推進都表現(xiàn)為前方下沉較大于后方的不對稱型分布。 確定了 7131工作面 “兩帶” 高度值為 37.539m，基本與現(xiàn)場實測數(shù)值基本相符。在資料真實準確的情況下，數(shù)值模擬方法是可靠的?！緟⒖嘉墨I】1李增學，等 .礦井地質(zhì)學 m. 北京：煤炭工業(yè)出版社， 2009. 2偉韜，武強，李獻忠，