基于三维离散元法的综放开采覆岩冒落规律研究

基于三维离散元法的综放开采覆岩冒落规律研究

采井后，煤岩体的空间结构发生了变化，表明采井围岩开始活动，导致结构变形、破坏和相位变化。了解采场上覆岩层运动趋势及可能带来的动力载荷,对于煤矿安全、快速采出是尤为重要的问题。因此,如何找到需要控制的岩层范围,并了解该范围岩层运动的规律,包括一次运动的面积、厚度、运动可能的方向以及实现的条件等,这一直都是矿山压力工作者研究的课题。前人由于受研究手段的限制,对于采场覆岩的垮断特征研究过于理想化或者考虑到的影响因素不够多。采用离散元法模拟岩层运动及应力分布规律为生产现场提供了一种简单易行的办法去探索采场围岩的应力分布,推断上覆岩层的运动,使得矿山压力研究从定性向定量方向发展。为此,本文采用美国ITASCA公司最新研发的三维离散元软件3DEC初步研究了综放开采时,不同块体几何参数的顶板岩层垮断特征。1国内模型的构建和物理力学的参数1.1岩块的有限元模拟3DEC及其二维版本UDEC都属于离散单元法中的个别元素法,而3DEC更能准确地模拟自然界真三轴应力状态下的煤岩体破坏状况。3DEC将岩体视为由许多完整岩块组成,各完整岩块间由岩体中的不连续面分隔,而各完整岩块之间的接触面视为岩块的边界。完整岩块可被模拟成刚体(RigidBlock)或可变形体(DeformableBlock),在模拟可变形岩块时,将岩块自动分割成许多次级块体(Sub-block),每个次级块体可配合所选用的材料组成及外力作用情况,计算岩块的受力及应力分布。在节理的模拟方面,主要根据位移-作用力法则,计算岩块在节理面上的剪应力及正应力,作为岩块的应力边界条件,因此可模拟岩块大位移与转动的情况。本文研究模型尺寸为长×宽×高=230m×30m×130m。根据作者在计算机配置为奔腾4处理器,CPU2.8GHz,内存为512MB的戴尔品牌机上调试经验,要体现出三维离散元程序3DEC的三维特点,模型宽度过大计算速度将会严重受到影响,从而要求三维块体尺寸要增大,这样就将与实际煤岩体冒落块度尺寸相差太远。经过多次调试,当研究范围最小块度分割为1m×3m×1m时,煤层10m以远底板不划分块体,模型宽度为30m其计算速度是可以接受的。模型煤层块度尺寸为1m×3m×1m,下位直接顶为2m×3m×1m,上位直接顶和直接底为3m×3m×1m,其他各层自开采煤层块度划分逐渐变大。1.2煤岩体力学参数选取试验研究本文数值模拟计算所用煤岩物理力学参数主要来自于实验室试验。同时,由于自然界岩体富含节理和弱面,其力学参数往往比实验室所用岩块的力学参数小很多。因此,模拟煤岩体的力学参数取试验所得数据的1/2～1/20。3DEC数值模拟计算所用参数如表1、表2所示。1.3煤岩块的运动3DEC真正体现了自然界煤岩体处于真三轴的应力状态。模型具有6个自由面,水平方向和底部边界采用取薄层的方法进行速度为零固定。本文模拟单一煤层开采,煤层埋深为670m,未模拟顶板按等效载荷施加到模型顶部边界上,等效载荷按下式计算q=∑hρgq=∑hρg式中,q为等效载荷,N/m2;h为未模拟煤岩层厚度,m;ρ为未模拟煤岩层密度,kg/m3;g为重力加速度,9.81m/s2。各单元在运动时一般不发生弹跳,这是由于运动时其动能转化为热能而耗散掉的缘故,因此煤岩块的运动是不可逆的过程。为避免岩块在平衡位置振动,应加入阻尼来吸收系统的动能,本文模拟采用了自适应阻尼。2结论分析2.1不同断裂角下挠曲覆岩的特征图1为块体断裂角分别为70°,90°,100°时的顶板岩层垮落图。从该图中看到岩块断裂角主导了顶板岩层张开裂隙的发展方向。断裂角70°,张开裂隙从煤壁沿70°的倾角,向采空区上方发展;断裂角100°,张开裂隙从控顶区外侧依次向煤壁前方发展。断裂角90°,工作面前方无明显的张开裂隙。对于断裂角70°,由于控顶区上方的挠曲回转岩层的轴线与断裂角接近垂直,导致张开裂隙沿煤壁向上扩展,直至上位基本顶(距煤层44m),这部分岩层沿着张开裂隙向下错动,并对控顶区施加附加载荷,此载荷由挠曲扇形体面内的岩重及错动面上的摩擦力所决定。扇形面内的岩块,一侧为煤壁前方的岩体,另一侧是采空区触矸的垮落岩块。由于此区载荷过大,造成控顶区后段顶煤下沉显著,末端触矸。表明支护强度0.8MPa在此条件下明显不足;对于断裂角100°的岩块,由于断裂角与挠曲轴线夹角过大,仅在工作面前方直接顶和下位基本顶出现张开裂隙,但未向上连续发展。作用于控顶区顶煤和支架上的载荷,主要由直接顶和下位基本顶(与采空区垮落岩块咬合)的厚度组成,累厚6m,因此,控顶区顶煤无明显下沉;对于断裂角90°,基本顶及上覆岩层在挠曲过程中的咬合较好,无显著张开裂隙形成。仅直接顶下层2m在控顶区外缘滑落。而上层仍保持短梁拱的咬合平衡,跨度达22m。图2、图3分别为不同断裂角时的覆岩速度和主应力矢量图。比较各图可以发现断裂角为90°时覆岩趋于稳定无明显的速度矢量线,而此时中砂岩层主应力最大。2.2采空区垮落岩层压剪特性图4为断裂角为70°时,增大顶板岩层垮断尺寸时的岩层垮断图,从该图看到直接顶超前工作面煤壁发生断裂、并向采空区回转,当增大上位直接顶岩块垮断长度时,采空区垮落高度明显降低,充填程度较好。图5为增大上位直接顶岩块垮断长度时,岩层速度矢量图。从图5中看到当直接顶上下层位块体尺寸,上短下长时,岩层在此状态仍然存在较大的速度,而在上长下短时,岩层稳定性较好,无明显速度矢量线出现。图6为断裂角为100°时,增大顶板岩层垮断尺寸时的岩层垮落状态图。从图6中看到当增大岩层垮断尺寸时,采空区垮落岩层充填程度较差,工作面煤壁侧覆岩断裂规律性差,并且切眼后帮煤壁受破坏严重。从岩层速度矢量图7中看到,采空区垮断岩层块体的几何参数越小,其稳定性越差,需要的稳定时间越长。2.3基本顶向采空区方向弯曲图8为顶板断裂角为70°时,减小基本顶厚度后岩层垮断状态图。从图中看到采空区梯形垮落形态向切眼方向倾斜,工作面煤壁上方顶板出现了超前煤壁断裂,当基本顶厚度较小时,直接顶和基本顶向采空区方向弯曲,回转将支架上方顶煤压弯,支架支护强度明显不足。图9为较小基本顶后顶板岩层的速度矢量图。从该图中看到岩层存在较大的速度,但以偏向切眼侧为主,并且前者岩层活动性要强,稳定历时要长。图10为断裂角100°时,减小基本顶厚度后的岩层垮断图。从图中看到采空区梯形垮落形态倾斜于工作面煤壁侧,并且以断裂岩层在工作面侧的切顶线位置对控顶区覆岩存在一个近45°方向的支撑力,因此有利于顶板支护。图11为断裂角为100°时的岩层速度矢量图,从图中可以看到两者差别不大,并且采空区垮落岩层稳定性较好。3半短梁拱下岩块断裂角的影响在计算的边界条件、加载方式、煤岩物理力学性质等均保持不变的情况下,应用三维离散元软件3DEC模拟研究了顶板岩层块体采用不同几何参数时的综放采场岩层垮断状况。得到主要结论如下:(1)当块体断裂角小于90°时,半短梁拱内岩块横向挤压力在煤壁上方(拱顶)最小,因而最容易发生沿煤壁处的滑移失稳和引起沿煤壁切顶;如果支护阻力不足,将恶化顶板和顶煤控制;如果直接顶厚度足够大,上述半短梁拱仍可能在较大跨度内稳定。且其上方的基本顶失稳对工作面顶板和顶煤的动载不大。反之,下位基本顶的失稳,将对工作面造成较大的动载。(2)当块体断裂角等于90°时,半拱内岩块的错动和下沉(台阶下沉)主要发生在控顶区外,采空区正上方,对控顶区的影响很小。(3)当块体断裂角大于90°时,半短梁拱的拱顶一般在控顶区外缘;并在失稳时,沿该处垮落,对控顶区顶板和顶煤无显著影响。(4)当直接顶厚度较小时,如果基本顶失稳,将会对控顶区顶煤和支架造成动载。但对于块体断裂角等于和大于90°时岩块回转未引起半短梁拱咬合的失稳破坏和控顶区顶煤的显著变形,而断裂角小于90°时,由于裂隙张开线处于煤壁上方,直接顶厚度减小,下位基本顶半短梁拱或长梁