基于關鍵層理論的綜放開采動覆巖支承壓力分布研究

1覆巖移動規律研究巖流運動對采空巖流的影響主要表現在以下幾個方面：（1）危害礦山和設備的安全；（2）巖石流的運動導致采礦和移動裂縫，導致周圍巖石和水的運移。（3）采礦沉降造成了土壤、耕地和環境的破壞，導致了一系列環境、經濟和社會問題。因此，了解和掌握采動覆巖的移動規律具有重要的現實意義。針對覆巖移動規律問題，國內外學者已提出了多種假說與理論，其中，具有代表性的有壓力拱假說、預成裂隙梁假說、鉸接巖塊假說、砌體梁理論、傳遞巖梁理論等。實踐表明，上覆巖層的巖性對巖層移動以及地表沉陷有很大的影響。針對堅硬巖層在覆巖移動中的控制作用，錢鳴高院士領導下的課題組，在砌體梁理論基礎上又發展、建立了巖層移動與控制的關鍵層理論。關鍵層理論的建立，對于指導卸壓瓦斯抽放、離層注漿及開采沉陷控制等方面具有重要的現實意義。深入研究和掌握采動覆巖破斷和移動規律是對巖層實施有效控制的關鍵。用實測和物理模擬的方法研究覆巖破斷規律既有可靠性，也有局限性，而采用建立在傳統連續介質理論基礎上的數值計算方法又無法模擬采動覆巖變形→破裂→移動全過程。因此，人們正在努力開發適用于分析巖體破裂過程的非線性分析系統。本文數值模擬中采用的RFPA’2000軟件已具備了這方面的功能。2數值模擬軟件和設計2.1覆巖非線性本構模型及模擬在本文的數值模擬中，選用東北大學唐春安教授開發的巖石破裂過程耦合分析系統——RFPA’2000。該系統基于有限元理論，將巖石材料的非均勻性參數引入到計算單元中，從而可以很好地模擬巖層的非線性本構特征。特別的是它可以模擬裂紋的萌生、擴展以及隨著采場工作面的推進覆巖中關鍵層的變形→破裂→移動全過程。該系統采用分步開挖來研究隨工作面的推進引起的應力場的重新分布以及覆巖的變形和破壞。因此，可以模擬采動巖體破斷過程的動態變化。2.2地質條件模型圖1為根據兗州礦區興隆莊礦鉆孔柱狀圖給出的巖層地質條件(具體力學參數見表1)建立的力學模型。模型沿水平方向取1000m，沿垂直方向取500m，煤層厚度為8m，采深為450m。3工作面的彎曲試驗圖2是煤層開采過程中覆巖采動冒落的數值模擬結果，同時能反映每次來壓時的彈模變化狀態。從圖2可以看到，一開始，直接頂隨著采場工作面的推進，在重力的作用下彎曲，出現離層；在工作面推進50m時發生初次來壓；推進62m時發生第一次周期來壓；此后每推進12～16m有一次周期來壓。特別是第三次周期來壓后，由于煤層上方的主關鍵層斷裂，引起了上部巖層較大的變形和破壞。這里需說明的是，在所顯示的破斷垮落過程圖中，由于對破壞單元的處理方式問題，使有些垮落的塊體在沒有接觸或壓實情況下，圖示中只是被簡單地描黑處理。4承載力分布規律圖3為采場圍巖支承壓力分布情況。從圖中可以看到，隨著工作面的推進，煤層上的支承壓力是動態變化的。開挖后，出現明顯的支承壓力集中區。而在采空區內底板上的壓力則明顯降低。隨著開采的進行，在工作面前方形成的支承壓力峰值是逐漸增加的，并且極值點位置不斷前移。每次來壓后，支承壓力峰值都有明顯的降低。在采空區后方煤層上的支承壓力峰值的位置幾乎保持不變，其值隨著工作面的推進而逐漸增加。采空區底板上的支承壓力分布規律大致可歸納為3個區域：在距離煤壁大約10m的范圍內形成一個關鍵塊架空后的破碎巖石自然堆積區，由于其上方關鍵塊起主要支承作用，所以，此區內的支承壓力近似為零；距離煤壁10～20m處，是關鍵塊體的端點支撐區，由于關鍵塊體的結構效應，此區支承壓力較大；距離煤壁20m以外的中間區域里，破碎巖體壓實程度幾乎相當，因此，該區內各處支承壓力值比較接近，這就形成了一個壓實穩定區。隨著工作面推進，采空區的支承壓力的均值逐漸增加。按照以上分區，對各區內的支承壓力作平均處理，得到表2所示的工作面推進不同距離時采空區不同區域內的支承壓力平均值。5采空區底板壓力通過對綜放采場覆巖冒落與圍巖支承壓力動態分布規律的數值模擬，可得出以下結論：(1)隨著工作面的推進，采場圍巖內的支承壓力在不斷變化。在關鍵層破斷垮落前后，支承壓力峰值大小和位置將發生跳躍式變化，尤其是受主關鍵層破斷的影響，這種突變更為明顯。這是引起采場災害事故和地表劇烈運動的主要因素。(2)對采空區底板上的支承壓力分布，大致可以分為3個區域，即：關鍵塊體架空后的破碎巖石自然堆積區、關鍵塊體端點的結構支撐區和壓實穩定區。在關鍵塊體架空區內，只有破碎后的直接頂松散巖塊冒落堆積在底板上，因而支承壓力近似為零，此巖體內孔隙大，是瓦斯和水聚集和運移的主要通道。在關鍵塊體端點的結構支撐區內，由于受覆巖結構效應的影響，此區域即為采空區底板上的支承壓力峰值區。(3)隨著覆巖破壞區域的擴大，支承壓力峰值將逐步增大，尤其是當主關鍵層破斷垮落后，支承壓力峰值將增至最大。通過數值模擬,可以得到覆巖冒落的整個結構變化的動態過程以及煤層和采空區上方的支承壓力分布情況。對于采空區底板上的支承壓力而言,在關鍵層垮落前，支承壓力近似為零。在關鍵層破斷垮落后，使采空