基于三維離散元法的綜放開采覆巖冒落規(guī)律研究

基于三維離散元法的綜放開采覆巖冒落規(guī)律研究

采井后，煤巖體的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，表明采井圍巖開始活動(dòng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形、破壞和相位變化。了解采場上覆巖層運(yùn)動(dòng)趨勢及可能帶來的動(dòng)力載荷,對于煤礦安全、快速采出是尤為重要的問題。因此,如何找到需要控制的巖層范圍,并了解該范圍巖層運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,包括一次運(yùn)動(dòng)的面積、厚度、運(yùn)動(dòng)可能的方向以及實(shí)現(xiàn)的條件等,這一直都是礦山壓力工作者研究的課題。前人由于受研究手段的限制,對于采場覆巖的垮斷特征研究過于理想化或者考慮到的影響因素不夠多。采用離散元法模擬巖層運(yùn)動(dòng)及應(yīng)力分布規(guī)律為生產(chǎn)現(xiàn)場提供了一種簡單易行的辦法去探索采場圍巖的應(yīng)力分布,推斷上覆巖層的運(yùn)動(dòng),使得礦山壓力研究從定性向定量方向發(fā)展。為此,本文采用美國ITASCA公司最新研發(fā)的三維離散元軟件3DEC初步研究了綜放開采時(shí),不同塊體幾何參數(shù)的頂板巖層垮斷特征。1國內(nèi)模型的構(gòu)建和物理力學(xué)的參數(shù)1.1巖塊的有限元模擬3DEC及其二維版本UDEC都屬于離散單元法中的個(gè)別元素法,而3DEC更能準(zhǔn)確地模擬自然界真三軸應(yīng)力狀態(tài)下的煤巖體破壞狀況。3DEC將巖體視為由許多完整巖塊組成,各完整巖塊間由巖體中的不連續(xù)面分隔,而各完整巖塊之間的接觸面視為巖塊的邊界。完整巖塊可被模擬成剛體(RigidBlock)或可變形體(DeformableBlock),在模擬可變形巖塊時(shí),將巖塊自動(dòng)分割成許多次級塊體(Sub-block),每個(gè)次級塊體可配合所選用的材料組成及外力作用情況,計(jì)算巖塊的受力及應(yīng)力分布。在節(jié)理的模擬方面,主要根據(jù)位移-作用力法則,計(jì)算巖塊在節(jié)理面上的剪應(yīng)力及正應(yīng)力,作為巖塊的應(yīng)力邊界條件,因此可模擬巖塊大位移與轉(zhuǎn)動(dòng)的情況。本文研究模型尺寸為長×寬×高=230m×30m×130m。根據(jù)作者在計(jì)算機(jī)配置為奔騰4處理器,CPU2.8GHz,內(nèi)存為512MB的戴爾品牌機(jī)上調(diào)試經(jīng)驗(yàn),要體現(xiàn)出三維離散元程序3DEC的三維特點(diǎn),模型寬度過大計(jì)算速度將會(huì)嚴(yán)重受到影響,從而要求三維塊體尺寸要增大,這樣就將與實(shí)際煤巖體冒落塊度尺寸相差太遠(yuǎn)。經(jīng)過多次調(diào)試,當(dāng)研究范圍最小塊度分割為1m×3m×1m時(shí),煤層10m以遠(yuǎn)底板不劃分塊體,模型寬度為30m其計(jì)算速度是可以接受的。模型煤層塊度尺寸為1m×3m×1m,下位直接頂為2m×3m×1m,上位直接頂和直接底為3m×3m×1m,其他各層自開采煤層塊度劃分逐漸變大。1.2煤巖體力學(xué)參數(shù)選取試驗(yàn)研究本文數(shù)值模擬計(jì)算所用煤巖物理力學(xué)參數(shù)主要來自于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。同時(shí),由于自然界巖體富含節(jié)理和弱面,其力學(xué)參數(shù)往往比實(shí)驗(yàn)室所用巖塊的力學(xué)參數(shù)小很多。因此,模擬煤巖體的力學(xué)參數(shù)取試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的1/2～1/20。3DEC數(shù)值模擬計(jì)算所用參數(shù)如表1、表2所示。1.3煤巖塊的運(yùn)動(dòng)3DEC真正體現(xiàn)了自然界煤巖體處于真三軸的應(yīng)力狀態(tài)。模型具有6個(gè)自由面,水平方向和底部邊界采用取薄層的方法進(jìn)行速度為零固定。本文模擬單一煤層開采,煤層埋深為670m,未模擬頂板按等效載荷施加到模型頂部邊界上,等效載荷按下式計(jì)算q=∑hρgq=∑hρg式中,q為等效載荷,N/m2;h為未模擬煤巖層厚度,m;ρ為未模擬煤巖層密度,kg/m3;g為重力加速度,9.81m/s2。各單元在運(yùn)動(dòng)時(shí)一般不發(fā)生彈跳,這是由于運(yùn)動(dòng)時(shí)其動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散掉的緣故,因此煤巖塊的運(yùn)動(dòng)是不可逆的過程。為避免巖塊在平衡位置振動(dòng),應(yīng)加入阻尼來吸收系統(tǒng)的動(dòng)能,本文模擬采用了自適應(yīng)阻尼。2結(jié)論分析2.1不同斷裂角下?lián)锨矌r的特征圖1為塊體斷裂角分別為70°,90°,100°時(shí)的頂板巖層垮落圖。從該圖中看到巖塊斷裂角主導(dǎo)了頂板巖層張開裂隙的發(fā)展方向。斷裂角70°,張開裂隙從煤壁沿70°的傾角,向采空區(qū)上方發(fā)展;斷裂角100°,張開裂隙從控頂區(qū)外側(cè)依次向煤壁前方發(fā)展。斷裂角90°,工作面前方無明顯的張開裂隙。對于斷裂角70°,由于控頂區(qū)上方的撓曲回轉(zhuǎn)巖層的軸線與斷裂角接近垂直,導(dǎo)致張開裂隙沿煤壁向上擴(kuò)展,直至上位基本頂(距煤層44m),這部分巖層沿著張開裂隙向下錯(cuò)動(dòng),并對控頂區(qū)施加附加載荷,此載荷由撓曲扇形體面內(nèi)的巖重及錯(cuò)動(dòng)面上的摩擦力所決定。扇形面內(nèi)的巖塊,一側(cè)為煤壁前方的巖體,另一側(cè)是采空區(qū)觸矸的垮落巖塊。由于此區(qū)載荷過大,造成控頂區(qū)后段頂煤下沉顯著,末端觸矸。表明支護(hù)強(qiáng)度0.8MPa在此條件下明顯不足;對于斷裂角100°的巖塊,由于斷裂角與撓曲軸線夾角過大,僅在工作面前方直接頂和下位基本頂出現(xiàn)張開裂隙,但未向上連續(xù)發(fā)展。作用于控頂區(qū)頂煤和支架上的載荷,主要由直接頂和下位基本頂(與采空區(qū)垮落巖塊咬合)的厚度組成,累厚6m,因此,控頂區(qū)頂煤無明顯下沉;對于斷裂角90°,基本頂及上覆巖層在撓曲過程中的咬合較好,無顯著張開裂隙形成。僅直接頂下層2m在控頂區(qū)外緣滑落。而上層仍保持短梁拱的咬合平衡,跨度達(dá)22m。圖2、圖3分別為不同斷裂角時(shí)的覆巖速度和主應(yīng)力矢量圖。比較各圖可以發(fā)現(xiàn)斷裂角為90°時(shí)覆巖趨于穩(wěn)定無明顯的速度矢量線,而此時(shí)中砂巖層主應(yīng)力最大。2.2采空區(qū)垮落巖層壓剪特性圖4為斷裂角為70°時(shí),增大頂板巖層垮斷尺寸時(shí)的巖層垮斷圖,從該圖看到直接頂超前工作面煤壁發(fā)生斷裂、并向采空區(qū)回轉(zhuǎn),當(dāng)增大上位直接頂巖塊垮斷長度時(shí),采空區(qū)垮落高度明顯降低,充填程度較好。圖5為增大上位直接頂巖塊垮斷長度時(shí),巖層速度矢量圖。從圖5中看到當(dāng)直接頂上下層位塊體尺寸,上短下長時(shí),巖層在此狀態(tài)仍然存在較大的速度,而在上長下短時(shí),巖層穩(wěn)定性較好,無明顯速度矢量線出現(xiàn)。圖6為斷裂角為100°時(shí),增大頂板巖層垮斷尺寸時(shí)的巖層垮落狀態(tài)圖。從圖6中看到當(dāng)增大巖層垮斷尺寸時(shí),采空區(qū)垮落巖層充填程度較差,工作面煤壁側(cè)覆巖斷裂規(guī)律性差,并且切眼后幫煤壁受破壞嚴(yán)重。從巖層速度矢量圖7中看到,采空區(qū)垮斷巖層塊體的幾何參數(shù)越小,其穩(wěn)定性越差,需要的穩(wěn)定時(shí)間越長。2.3基本頂向采空區(qū)方向彎曲圖8為頂板斷裂角為70°時(shí),減小基本頂厚度后巖層垮斷狀態(tài)圖。從圖中看到采空區(qū)梯形垮落形態(tài)向切眼方向傾斜,工作面煤壁上方頂板出現(xiàn)了超前煤壁斷裂,當(dāng)基本頂厚度較小時(shí),直接頂和基本頂向采空區(qū)方向彎曲,回轉(zhuǎn)將支架上方頂煤壓彎,支架支護(hù)強(qiáng)度明顯不足。圖9為較小基本頂后頂板巖層的速度矢量圖。從該圖中看到巖層存在較大的速度,但以偏向切眼側(cè)為主,并且前者巖層活動(dòng)性要強(qiáng),穩(wěn)定歷時(shí)要長。圖10為斷裂角100°時(shí),減小基本頂厚度后的巖層垮斷圖。從圖中看到采空區(qū)梯形垮落形態(tài)傾斜于工作面煤壁側(cè),并且以斷裂巖層在工作面?zhèn)鹊那许斁€位置對控頂區(qū)覆巖存在一個(gè)近45°方向的支撐力,因此有利于頂板支護(hù)。圖11為斷裂角為100°時(shí)的巖層速度矢量圖,從圖中可以看到兩者差別不大,并且采空區(qū)垮落巖層穩(wěn)定性較好。3半短梁拱下巖塊斷裂角的影響在計(jì)算的邊界條件、加載方式、煤巖物理力學(xué)性質(zhì)等均保持不變的情況下,應(yīng)用三維離散元軟件3DEC模擬研究了頂板巖層塊體采用不同幾何參數(shù)時(shí)的綜放采場巖層垮斷狀況。得到主要結(jié)論如下:(1)當(dāng)塊體斷裂角小于90°時(shí),半短梁拱內(nèi)巖塊橫向擠壓力在煤壁上方(拱頂)最小,因而最容易發(fā)生沿煤壁處的滑移失穩(wěn)和引起沿煤壁切頂;如果支護(hù)阻力不足,將惡化頂板和頂煤控制;如果直接頂厚度足夠大,上述半短梁拱仍可能在較大跨度內(nèi)穩(wěn)定。且其上方的基本頂失穩(wěn)對工作面頂板和頂煤的動(dòng)載不大。反之,下位基本頂?shù)氖Х€(wěn),將對工作面造成較大的動(dòng)載。(2)當(dāng)塊體斷裂角等于90°時(shí),半拱內(nèi)巖塊的錯(cuò)動(dòng)和下沉(臺(tái)階下沉)主要發(fā)生在控頂區(qū)外,采空區(qū)正上方,對控頂區(qū)的影響很小。(3)當(dāng)塊體斷裂角大于90°時(shí),半短梁拱的拱頂一般在控頂區(qū)外緣;并在失穩(wěn)時(shí),沿該處垮落,對控頂區(qū)頂板和頂煤無顯著影響。(4)當(dāng)直接頂厚度較小時(shí),如果基本頂失穩(wěn),將會(huì)對控頂區(qū)頂煤和支架造成動(dòng)載。但對于塊體斷裂角等于和大于90°時(shí)巖塊回轉(zhuǎn)未引起半短梁拱咬合的失穩(wěn)破壞和控頂區(qū)頂煤的顯著變形,而斷裂角小于90°時(shí),由于裂隙張開線處于煤壁上方,直接頂厚度減小,下位基本頂半短梁拱或長梁