基于關(guān)鍵層理論的巖層移動(dòng)模擬研究

基于關(guān)鍵層理論的巖層移動(dòng)模擬研究

由于巖石性質(zhì)和礦物組成的不同，煤炭系地層形成了不同厚度和強(qiáng)度的多層次巖體。它通常分為表土層和基巖層。表土層主要由松散的沙子和土層組成，與基巖相比具有不同的變形和運(yùn)動(dòng)特征。一般來說，可以認(rèn)為，它是一個(gè)整體運(yùn)動(dòng)，可以簡化為均勻分布的負(fù)荷，并用于基巖?；鶐r通常由不同厚度和軟度的巖石組成。其中，一個(gè)或多個(gè)堅(jiān)硬的巖石在采礦準(zhǔn)備過程中起著主要的控制作用。它們以某種結(jié)構(gòu)形式承擔(dān)著上部巖石的重力，是巖漿巖的支撐，但它們的破碎和運(yùn)動(dòng)直接影響著巖漿巖的局部或表面所有巖石的運(yùn)動(dòng)，被稱為子層，后者被稱為主甲狀層。主甲狀層的主甲狀層可以不僅僅是一層，主甲狀層的主甲狀層可以是一層。關(guān)鍵層理論在礦區(qū)、巖石移動(dòng)和地表沉降、采空氣用氣、磚瓦流動(dòng)研究領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了有機(jī)統(tǒng)一。該領(lǐng)域在采礦準(zhǔn)備、“iii”開采、底板突出等方面得到了應(yīng)用。相似模擬實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬是目前研究煤礦采場覆巖移動(dòng)規(guī)律的重要方法.在巖層移動(dòng)的相似材料模擬實(shí)驗(yàn)中,尤其是在大比例模型實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)基巖總厚度較大時(shí),模型往往只鋪設(shè)到需要考察和研究的巖層范圍為止,其上部巖層(包括表土層)不再鋪設(shè),而以均布載荷形式加在模型上邊界,所加載荷大小為未鋪設(shè)巖層重力.巖層移動(dòng)數(shù)值模擬中,由于數(shù)值模擬軟件可運(yùn)行單元數(shù)的限制或?yàn)榱斯?jié)約機(jī)時(shí),通常采用與相似材料模擬實(shí)驗(yàn)類似的簡化方法,將未模擬的巖層簡化為均布載荷加在模型上邊界.本文基于巖層控制關(guān)鍵層理論,對(duì)巖層移動(dòng)的物理與數(shù)值模擬研究中將未模擬巖層代之以均布載荷加在模型上邊界的做法所存在的問題及應(yīng)遵循的原則進(jìn)行了探討.1鍵層地面為了研究模擬實(shí)驗(yàn)中將上部未模擬巖層簡化為均布載荷存在的問題,設(shè)計(jì)了2臺(tái)相似材料模擬模型,采用平面應(yīng)力模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了對(duì)比研究.模型的幾何相似比為1∶100,煤層采厚2.5m.模型1鋪設(shè)了全部基巖,覆巖中有2層關(guān)鍵層,由下向上依次稱為關(guān)鍵層1,關(guān)鍵層2;兩關(guān)鍵層的巖性一致,間距為30m.關(guān)鍵層1為亞關(guān)鍵層,其厚度為5m,距開采煤層20m;關(guān)鍵層2為主關(guān)鍵層,其厚度為10m.關(guān)鍵層2上部有5m基巖層和60m表土層.60m表土層(其重力相當(dāng)于3個(gè)加載鐵塊)簡化為均布載荷加在模型上邊界.模型1中軟巖層巖性相同,其分層厚度為2～3m.模型2是模型1的簡化模型,是將模型1上部包括關(guān)鍵層2在內(nèi)的厚20m的基巖(其重力相當(dāng)于1個(gè)加載鐵塊)簡化為均布載荷與表土層載荷一起(共4個(gè)加載鐵塊)加在模型上邊界,其它條件與模型1一致.以關(guān)鍵層1的破斷步距為考察對(duì)象,對(duì)比分析模型1,2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.圖1a,1b分別為隨煤層開挖,模型1,2關(guān)鍵層1初次破斷的情況.模型1在煤層開挖60m時(shí),關(guān)鍵層1發(fā)生初次破斷,并導(dǎo)致其上覆直至關(guān)鍵層2以下的所有軟巖層同步破斷,在關(guān)鍵層2下出現(xiàn)了明顯離層.模型2在煤層開挖40m時(shí),關(guān)鍵層1發(fā)生初次破斷.與模型1相比,模型2中關(guān)鍵層1的初次破斷距小20m,相差達(dá)33.3%.顯然,將上部包括關(guān)鍵層2在內(nèi)的部分基巖簡化為均布載荷加在模型2上邊界的做法導(dǎo)致了模型2中關(guān)鍵層1的破斷距偏小.2數(shù)值模擬計(jì)算采用中國礦業(yè)大學(xué)“211”工程引進(jìn)的兩種數(shù)值模擬軟件FLAC2D和UDEC2D對(duì)此進(jìn)行了研究.2.1數(shù)值模型與數(shù)值結(jié)果分析UDEC2DV3.0軟件是二維離散元數(shù)值模擬軟件,適用于巖土工程中非連續(xù)體力學(xué)行為的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬.計(jì)算模型中塊體既可以是剛體也可以是變形體,提供了7種材料本構(gòu)模型和5種節(jié)理本構(gòu)模型.在內(nèi)存足夠的條件下,該軟件可滿足各種大型工程的計(jì)算.設(shè)計(jì)了3個(gè)UDEC數(shù)值模型.模型1中基巖全部鋪設(shè),覆巖中有2層關(guān)鍵層,關(guān)鍵層2為主關(guān)鍵層,其厚度是關(guān)鍵層1的2倍.關(guān)鍵層2上部有10m基巖和50m表土層.表土層簡化為均布載荷加在模型上邊界.模型中軟巖層的分層厚度為2～3m,關(guān)鍵層1下部開采區(qū)域內(nèi)軟巖層的劃分如圖2a所示.數(shù)值模型中巖層力學(xué)參數(shù)取值見表1.模型2為模型1的簡化,是將模型1上部包括關(guān)鍵層2在內(nèi)的40m基巖簡化為均布載荷與表土層載荷一起加在模型上邊界,其它條件與模型1一致,如圖2b所示.模型3是將模型1中厚20m的關(guān)鍵層2改為軟巖層,共8個(gè)分層,其它條件不變.設(shè)關(guān)鍵層與軟巖層的容重相等,則模型2也可視為模型3的簡化模型,即將模型3上部40m基巖(皆為軟巖)簡化為均布載荷與表土層載荷一起加在模型2上邊界.模型1簡化為模型2時(shí),簡化為均布載荷的基巖中包含關(guān)鍵層(關(guān)鍵層2),而模型3簡化為模型2時(shí),簡化為均布載荷的基巖中無關(guān)鍵層.采用Mohr-Coulomb塑性本構(gòu)模型,在模擬中以拉破壞作為巖層破斷的斷別條件.當(dāng)拉應(yīng)力大于巖層抗拉強(qiáng)度時(shí),UDEC2DV3.0軟件會(huì)自動(dòng)判別巖層拉破壞的位置.仍以關(guān)鍵層1的破斷距作為考察對(duì)象對(duì)比分析模型1,2,3的計(jì)算結(jié)果.數(shù)值模擬結(jié)果表明,模型1開挖50m時(shí)關(guān)鍵層1發(fā)生初次破斷,而模型2開挖30m時(shí)關(guān)鍵層1就發(fā)生初次破斷.即與模型1相比,模型2關(guān)鍵層1的初次破斷距小20m,相差40%.與相似模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似,在UDEC數(shù)值模擬中,將圖2a所示模型上部包括關(guān)鍵層2在內(nèi)的部分基巖簡化為均布載荷導(dǎo)致了關(guān)鍵層1破斷距的失真.對(duì)于模型3,開挖30m時(shí)關(guān)鍵層1發(fā)生初次破斷,其破斷距與模型2的計(jì)算結(jié)果一致.可見,將關(guān)鍵層上部基巖簡化為均布載荷并不影響關(guān)鍵層1的破斷距.通過3個(gè)UDEC數(shù)值模型模擬結(jié)果的對(duì)比分析,可得如下結(jié)論:簡化為均布載荷的基巖段內(nèi)包含關(guān)鍵層時(shí),將導(dǎo)致模型中巖層破斷距偏小;而當(dāng)被簡化為均布載荷的基巖段中不存在關(guān)鍵層時(shí),不影響巖層破斷距.因此,包含關(guān)鍵層的基巖不能簡化為均布載荷,必須鋪設(shè),只有不包含關(guān)鍵層的軟巖層可以簡化為均布載荷加在模型上邊界.2.2數(shù)值模型及幾何尺寸、巖性的分析FLAC2DV3.3是二維有限差分軟件,適用于巖土工程中邊界形狀復(fù)雜及非線性問題的數(shù)值模擬.它提供了9種材料的本構(gòu)模型,并提供了界面單元用于模擬斷層、節(jié)理等.為了驗(yàn)證UDEC數(shù)值模擬的上述結(jié)果是否在其它數(shù)值模擬中同樣存在,設(shè)計(jì)了2個(gè)FLAC數(shù)值計(jì)算模型.其中,模型1的幾何尺寸及巖性與圖2a所示的UDEC數(shù)值模型1一致,有2層關(guān)鍵層,分別在煤層上方距煤層3,6,10,20,27,33,39,45,65,68,71m處設(shè)置了11個(gè)界面單元摸擬巖層分層.模型2是模型1的簡化,是將上部包含關(guān)鍵層的40m基巖簡化為均布載荷加在模型上邊界,其幾何尺寸及巖性與圖2b所示的UDEC模型2一致.采用Mohr-Coulomb塑性本構(gòu)模型,以拉破斷作為巖層破斷的判別依據(jù),與UDEC2DV3.0軟件類似,FLAC2DV3.3軟件能自動(dòng)判別并顯示巖層破斷位置.仍以關(guān)鍵層1的破斷距為考察對(duì)象.計(jì)算結(jié)果表明,模型1開挖65m時(shí),關(guān)鍵層1初次破斷;而模型2開挖30m時(shí),關(guān)鍵層1即破斷.可見,與模型1相比,模型2中關(guān)鍵層1的破斷距小35m,相差53.8%.顯然,對(duì)于FLAC數(shù)值模型,將包含關(guān)鍵層2在內(nèi)的基巖簡化為均布載荷同樣會(huì)導(dǎo)致關(guān)鍵層1破斷距失真(偏小).3采空區(qū)載荷巖層破斷距主要取決于3方面的因素,即巖層厚度、巖層力學(xué)性質(zhì)(如彈性模量、抗拉強(qiáng)度等)和載荷大小.在相似模擬實(shí)驗(yàn)及UDEC,FLAC數(shù)值模擬計(jì)算中,模型1與模型2關(guān)鍵層1的巖層厚度與巖層力學(xué)性質(zhì)是相同的,導(dǎo)致兩個(gè)模型關(guān)鍵層1破斷距相差較大的原因在于模型1,2中關(guān)鍵層1所受載荷不同.研究表明,關(guān)鍵層對(duì)其下部巖層的載荷分布及破斷有顯著影響.圖3a～3c分別為上述UDEC數(shù)值模型1～3中關(guān)鍵層1破斷前,不同開挖距時(shí)其上載荷的分布,FLAC模擬結(jié)果與此一致.由圖3a可見,1)模型1中關(guān)鍵層1上的載荷為非均勻分布,存在載荷集中與降低現(xiàn)象:靠采空區(qū)中部的載荷低于上覆巖層重力,而在采空區(qū)兩側(cè)一定范圍內(nèi),載荷大于上覆巖層重力.2)隨開挖尺寸增大,模型1中關(guān)鍵層1上的載荷是動(dòng)態(tài)變化的,在采空區(qū)上方逐漸降低,在其兩側(cè)的集中程度逐漸增大.而由圖3b,3c可見,模型2,3中關(guān)鍵層1上的載荷隨開挖尺寸增大變化很小,基本呈均勻分布.對(duì)于模型1,關(guān)鍵層2上部巖層載荷主要由關(guān)鍵層2承擔(dān);在采空區(qū)中部,隨著開挖尺寸增大,關(guān)鍵層1及其所控軟巖層與關(guān)鍵層2間離層,關(guān)鍵層2上部巖層向下傳遞至關(guān)鍵層1上的載荷越來越小,從而關(guān)鍵層1上的載荷呈現(xiàn)出圖3a所示動(dòng)態(tài)變化與非均勻分布的特征.將包含關(guān)鍵層2在內(nèi)的部分基巖簡化為均布載荷時(shí),關(guān)鍵層1上的載荷隨開挖尺寸增大基本呈均勻分布,關(guān)鍵層1承擔(dān)了上部所有巖層的載荷,這與其實(shí)際承載情況不符,從而導(dǎo)致簡化模型中關(guān)鍵層1破斷距失真(偏小).對(duì)于UDEC數(shù)值模型3,關(guān)鍵層1上部皆為軟巖層(無關(guān)鍵層),承擔(dān)了上部所有巖層載荷,將其上部部分基巖簡化為均布載荷并沒有改變關(guān)鍵層1上的載荷,因此,簡化模型中關(guān)鍵層1的破斷距與原模型相同.關(guān)鍵層的存在引起了其下部巖層載荷分布的動(dòng)態(tài)變化與非均勻分布,因此,在巖層移動(dòng)的物理與數(shù)值模擬研究中,不能將包含關(guān)鍵層的巖層段簡化為均布載荷,否則將導(dǎo)致下部巖層載荷分布的改變和破斷距模擬結(jié)果的失真.只有最上一層關(guān)鍵層(即主關(guān)鍵層)上部的巖層可以簡化為均布載荷.包含關(guān)鍵層時(shí),其等值載荷不可簡化為均布載荷,而應(yīng)根據(jù)關(guān)鍵層位置及破斷特征(厚度、強(qiáng)度、破斷距)確定其等值載荷.在模型上部加設(shè)補(bǔ)償層的做法,盡管避免了上部被省略巖層的載荷以均布方式向下傳遞,但補(bǔ)償層的位置、厚度及強(qiáng)度的確定沒有同上部被簡化巖層中關(guān)鍵層相聯(lián)系,仍然會(huì)導(dǎo)致下部巖體承受載荷的失真.4基于“關(guān)鍵層”的地層載荷在巖層移動(dòng)的物理與數(shù)值模擬研究中,通常將部分巖層簡化為均布載荷加在模型上邊界.研究表明,關(guān)鍵層的存在引起了其下部巖層載荷分布的動(dòng)態(tài)變化與非均勻分布,若簡化為均布載荷的巖層段包含關(guān)鍵層,將引起巖層載荷分布特征的改變,從而導(dǎo)致巖層破斷距模擬結(jié)果的嚴(yán)重失真,(據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)和