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(shí)測巖體力學(xué)參數(shù)及實(shí)際邊界條件，利用flac3d 軟件對煤層開采引起的上覆巖體運(yùn)移變形破壞特征進(jìn) 行了數(shù)值模擬；通過分析由此引起的塑性破壞、應(yīng)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(guān)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(jìn)行專題研究并取得了很大的 進(jìn)展1 ，目前確

2、定“兩帶”形態(tài)特征的方法主要有經(jīng)驗(yàn)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(shù) 被很好的應(yīng)用到這一領(lǐng)域中3。本文運(yùn)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(shí)測數(shù)據(jù)表明此法在該例“兩帶”預(yù)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(biāo)高為+21m，工作面標(biāo)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(jī)械化綜采。煤層頂板為復(fù)合型頂

3、板，直接頂板為深灰色泥巖或細(xì)砂巖，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(xì)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(jì)算模型建立與運(yùn)行，命 令流導(dǎo)出相關(guān)特性值圖像， 直觀反映 71 煤層開采過程中上覆巖體移動(dòng)、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(shí)際，尺寸適合的原則。根據(jù)工作面特征，模型設(shè)計(jì)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(yù)留深度15m， 上覆巖層 62m，近水平模擬。模

4、型如圖1。2.2 模型初始與邊界為盡可能的真實(shí)體現(xiàn)地下空間開挖情況，更好地進(jìn)行受力特性模擬和塑性流動(dòng)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(yīng)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(yīng)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(xué)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(shí)用的莫爾-庫侖塑性模

5、型，判別準(zhǔn)則采用莫爾-庫侖屈服準(zhǔn)則描述。模型中各煤巖層的力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)室測定， 見表 1。在未進(jìn)行煤層開挖之前賦予全部屬性，得到初始地應(yīng)力平衡狀態(tài)，反映原始地層未受擾動(dòng)影響條件下原位應(yīng)力分布情況， 見圖 2 所示顯現(xiàn)了 xx 、yy 、zz 三向主應(yīng)力均值分布。2.4 模擬計(jì)算結(jié)果與分析本次計(jì)算開挖設(shè)計(jì)開挖步距為20m，共開挖 5 步計(jì) 100m，沿模型走向開挖兩端各預(yù)留50m 作為保護(hù)煤巖柱，兩側(cè)煤巖幫各預(yù)設(shè)35m。選取開挖 40m 和 100m 步長為典型代表，分別從塑性破壞、應(yīng)力分布、位移變化三個(gè)方面來分析說明覆巖破壞隨空間和時(shí)間變化的動(dòng)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

6、回采，煤層頂板相繼出現(xiàn)不同程度的 破壞，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(jìn)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(shí)圖中顯示出了5 個(gè)步距時(shí)段塑性破壞區(qū)域的特征， 對應(yīng)著“兩帶”分布區(qū)域特征。（a） 推進(jìn) 40m 塑性破壞（b） 推進(jìn) 100m 塑性破壞2.4.2 應(yīng)力場模擬分析圖 4 為工作面推進(jìn)時(shí)的垂直應(yīng)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(yīng)力集中的“凸” 型應(yīng)力帶。隨著工作面推進(jìn)采空區(qū)被填充壓實(shí)，前方形成超

7、前移動(dòng)的支撐壓力，在每一步開挖中都形成一個(gè)類似于“步距”的應(yīng)力帶，至開挖到100m 終止圖中記錄了 5 個(gè)填充步距的應(yīng)力分布特征。大致可分為未受采動(dòng)影響區(qū)、受采動(dòng)影響區(qū)和受采動(dòng)影響劇烈區(qū)。（a） 推進(jìn) 40m 垂向應(yīng)力分布（b） 推進(jìn) 100m 垂向應(yīng)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(jìn)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(jìn)距離而增加，而后方經(jīng)壓實(shí)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(dòng)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(yīng)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(jìn)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(shí)測數(shù)值基本相符。在資料真實(shí)準(zhǔn)確的情況下，數(shù)值模擬方法是可靠的?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1 李增學(xué)，等 .礦井地質(zhì)學(xué) m. 北京：煤炭工業(yè)出版社， 2009.2 偉韜，武強(qiáng)，李