基于三維離散元法的煤層綜放開采動態應力分析

1工作面開采中的覆巖運動及其分布規律近年來，隨著我國一些煤礦逐漸向大型煤礦、大采高采等高強度開采方式的轉型，以及采空區的快速形成，導致了大面積采空區的快速形成。此外，采空區頂板的開發設計和開采順序不足。尤其是具有深部影響傾向的堅硬頂板運動及其動力負荷是充分考慮屋頂的主要動力因素[1.3]。例如，2007年兗州南屯煤礦的“3.13”屋頂損壞，當采空區的高度接近工作面長度時，由于采空區高大巖石的突然崩潰，導致工作面中道路的荷載破壞。為此,國內外學者[4~11]對于煤層開采頂板巖層的運動以及應力分布規律開展了相關研究工作,并且取得了一定的成果,但是由于受研究手段的限制,對于采空區覆巖運動形態以及采空區巖體中應力變化規律研究得不夠深入。理論研究和生產實踐都證明,沖擊地壓、礦震以及頂板事故幾乎都與采掘工作面推進過程中覆巖運動破壞和采動圍巖應力場應力大小及分布密切聯系在一起。然而,煤層的開采,尤其是工作面不斷推進過程中,采空區頂板巖體在形態和結構上均呈現出強烈的不連續性,其運動演化過程是幾何或材料非線性的結果,離散元法是20世紀70年代初興起的一種數值計算方法,特別適用于非連續介質、節理巖體的應力分析,在采礦工程、隧道工程、邊坡工程以及放礦力學等方面都有一定的應用[13~17]。本文選取國內典型的沖擊地壓礦井華豐煤礦四層煤的煤巖地質賦存條件,采用美國Itasca公司研制的大型三維離散元軟件3DEC建立煤層綜放開采模型,實現綜放開采采場、采空區頂板巖層在工作面推進過程中的運動規律以及采動圍巖(包括不同層位)中采巖層塊體應力動態演化特征的研究,其研究結果形成規律性認識以指導生產。2數值模擬2.1巖塊的離散元分析離散元法引入我國相對較晚,在巖土工程界的有些學術論文中將離散元法(discreteelementmethod)、個別元素法(distinctelementcode)、不連續變形分析法(discontinuousdeformationanalysis)等混為一談。1992年Cundall和Hart認為只有滿足下面2個條件的計算程序才可稱之為離散元法:(1)允許塊體產生有限位移和旋轉,并允許塊體間完全分離。(2)在運算過程中,必須能自動判別各塊體間的接觸點。同年,Cundall和Hart指出符合離散元定義的程序主要有:(1)個別元素法程序(distinctelementprograms)。其代表程序有TRUBAL,UDEC,3DEC,DIBS,3DSHEAR和PFC。這些程序使用顯式的,與時俱進的方式直接解答運動等式。塊體可以是剛性的,也可以是變形的(子劃分成單元),接觸也可以變形。(2)模態法。其代表程序為CICE。這種方法與剛性體的離散元很相似,但是對于變形塊體使用了模態疊加。(3)不連續變形分析法。其對應的計算程序便為DDA。這種方法,接觸是剛性的,塊體可以是剛性的也可以是變形的,通過迭代格式來取得非相互貫通的條件,塊體變形來自與應變模式的疊加。(4)慣量–交換法。這種方法接觸和塊體都是剛性的,在瞬間的碰撞過程中2個接觸的塊體交換慣量,可以表示摩擦滑動。3DEC將巖體視為由許多完整巖塊所組成,各完整巖塊間由巖體中的不連續面分隔,而各完整巖塊與巖塊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),3DEC在模擬可變形巖塊時,將巖塊自動分割成許多次級塊體(sub-block),每個次級塊體可配合所選用的材料組成律及外力作用情況,計算巖塊的受力及應力分布情況。在節理的模擬方面,主要根據位移–作用力法則,計算巖塊在節理面上的剪應力及正應力,作為巖塊的應力邊界條件,因此可模擬巖塊大位移與轉動的情況。2.2煤巖體力學參數的選取數值模擬計算所用煤巖物理力學參數主要來自于實驗室試驗。同時,由于自然界巖體富含節理和弱面,其力學參數往往比實驗室所用巖塊的力學參數小很多。因此,煤巖體的力學參數取試驗所得數據的1/2~1/20。數值模擬計算所用參數如表1,2所示。2.3煤巖塊的運動3DEC真正體現了自然界煤巖體處于真三軸的應力狀態。模型具有6個自由面,水平方向和底部邊界采用取薄層的方法進行速度為0固定。模型為單一煤層開采,煤層埋深為670m,模型頂部之上頂板按等效載荷施加到模型頂部邊界上,等效載荷按下式計算: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,一般取9.8m/s2。各單元在運動時一般不發生彈跳,這是由于運動時其動能轉化為熱能而耗散掉的緣故,因此煤巖塊的運動是不可逆的過程。為避免巖塊在平衡位置振動,應加入阻尼來吸收系統的動能,計算采用了自適應阻尼。2.4工作面現狀及問題煤層開采采用厚煤層一次采全高的綜放開采,割煤高度和放煤高度都為3m,采放比1∶1,考慮到放煤損失,頂煤留出1m不放煤。全部垮落法管理頂板。模擬工作面兩側均未采動,工作面控頂區采用等效邊界力進行支護,支護強度為0.7MPa。為了研究模型開挖過程中,巖層的運動和應力變化情況,對開挖煤層上覆巖層的不同位置一些塊體進行了跟蹤記錄。總的離散元模型計算共分6個開采方案,各方案推進距離不等。3結果分析3.1屋頂巖的運動規律3.1.1工作面兩面覆巖段冒落圖1為采煤工作面不同推進距離時采場上覆巖層運動狀態圖。當工作面自切眼后幫推進到16m時,采空區殘留頂煤和下位直接頂一起冒落。當工作面推進到30m時采空區殘留頂煤和下位直接頂向工作面推進方向延續冒落,并且出現了分段現象,這是因為塊體冒落時間先后順序造成的。當工作面推進到38m時直接頂全部冒落,基本頂開始離層,下沉,直接頂在推進方向破壞深入到支架上方的控頂區大約2m左右。推進42m時,以至于到后來的90m,采場才達到充分采動。從圖中看到隨著工作面的不斷推進,殘留頂煤、直接頂、基本頂等都在向工作面推進方向不斷延續冒落,并出現了大致的分段性,分段長度因各巖層強度不同而不同,但是,自下往上垮落步距呈增大趨勢。3.1.2工作面出現彎曲由圖1可知,當工作面推進16m時,采空區殘留頂煤和下位直接頂一起冒落。當工作面推進到30m時采空區殘留頂煤和下位直接頂一起冒落,中位直接頂和上位直接頂之間出現了明顯的離層,中位直接頂成暫時穩定梁結構。上位直接頂開始向下彎曲,出現了一定的撓度。工作面推進到38m時,基本頂離層空隙增大,上部粉砂巖出現了離層。推進到42m時采空區殘留頂煤和下位直接頂接底板并且基本壓實,上下位直接頂在模型縱向方向出現了較大的間隙,上位直接頂以暫時穩定梁的功能對基本頂起到了支撐作用。隨著工作面的不斷推進,各巖層呈離層出現–下沉–離層閉合–壓實規律,而在支架后方的頂板有成拱現象,這與沖擊危險性煤層存在的水平應力較大有關,由于較大水平應力的作用,各巖層塊體在垮落過程中被迫互相擠壓,形成應力集中,另一方面,各塊體在下落過程中發生松弛接觸,又在水平應力作用下產生微小的轉動,這種轉動同樣使楔緊力增大,因而在各層塊體沿著接觸面滑移并伴隨著塊體微小轉動的運動過程中,在各巖層層位中會出現極限平衡的自然平衡拱。3.2采區底板的動態發展特征3.2.1垂向應力變化在采用3DEC計算時,利用3DEC中的Hist語句對采場覆巖中不同位置的塊體應力變化進行了跟蹤記錄。圖2,3分別為工作面開挖到42,120m時,采場上覆巖層中兩組水平方向的跟蹤塊體在垂直方向的應力變化曲線。從圖中可以看出,工作面前方出現了應力集中區,工作面后方出現了應力卸壓區,工作面上方應力較小,應力峰值位置隨著巖層高度的增加稍向煤壁前方移動。圖4,5是模型整個開挖過程中,距切眼距離分別為42,66m處的上覆巖層中豎直方向上距煤層底板不同高度的部分跟蹤塊體的垂向應力變化曲線。從兩圖中可以發現,隨著采煤工作面向跟蹤塊體方向的靠近,跟蹤塊體垂向應力在不斷的增大。當工作面推進到跟蹤塊體正下方時,應力達到最大值。工作面推過塊體下方位置后,垂直應力迅速下降,并降為最小值。隨著工作面的遠離,應力又有所回升。因此,可以認為上覆巖層在整個工作面推進過程中垂向應力是在不斷變化的。3.2.2工作面面積層內塊體水平應力變化規律圖6所示為距切眼66m處的上覆巖層中距煤層底板不同高度的部分跟蹤塊體的水平應力變化曲線。從圖6中可以發現,在工作面推進過程中巖體中的水平應力也是不斷變化的。隨著工作面向跟蹤塊體方向的推進,水平應力不斷增大。當工作面距離跟蹤塊體還有一定距離時,水平應力已達到最大值。工作面推到塊體正下方或者超過塊體時,水平應力降為最小值。隨著工作面的繼續推進,水平應力在不斷的波動,說明在工作面推進過程中采場圍巖各巖層塊體在處于不停地運動狀態中。隨著工作面的遠離,水平應力的波動幅度越來越小,最后基本趨于穩定。由圖6還可知,隨著巖層距離煤層底板高度的不同,最大水平應力值的大小不同,最大水平應力出現的時間先后也不一樣,隨著巖層距離煤層底板高度的增大,最大水平應力逐漸變小,最大水平應力峰值出現的時間也越晚。圖7是在工作面推進到45m的過程中,對采場上覆巖層中不同層位的兩組水平方向上的塊體的水平應力的跟蹤記錄。從圖7中可以發現,在采空區內上位巖層塊體水平應力大于下位巖層,這是因為,上位巖層跟蹤塊體位于基本頂中,在巖層垮落過程中,基本頂巖層強度大,各塊體之間相互楔擠,存在較大的水平應力集中。兩層位巖層在工作面前方都有應力集中現象,但峰值位置及大小都不同,下位巖層峰值來的晚些但比較大。在工作面煤壁前方兩者變化基本一致。4頂板沖擊性特征(1)數值模擬結果表明,采空區各巖層呈離層出現–下沉–離層閉合–壓實規律,在直接頂垮落后,在基本頂和直接頂之間出現空洞并隨著工作面推進而進一步發展,導致基本頂巖塊擠壓拱失穩垮落。這種垮落一般會周期性出現,并帶有沖擊性,從而引起工作面周期來壓。這種特征反映了直接頂垮落厚度對于基本頂運動形態的重要影響。(2)通過對綜放工作面推進過程中采動覆巖中距離煤層直接底板不同高度的部分塊體應力跟