摘 要：由于12081采場(chǎng)圍巖運(yùn)移的復(fù)雜性，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)反映的只是某一方面或者幾方面的規(guī)律，對(duì)頂板活動(dòng)難以有一個(gè)全面了解。研究方法采用相似模擬只能在部分方面取得較好的成果，但是會(huì)消耗較高成本。實(shí)驗(yàn)周期經(jīng)較長，并且一次只能模擬一種狀態(tài)。近年來，采用數(shù)值模擬方法能得到相似模擬所達(dá)不到的效果。

關(guān)鍵詞：煤巖體 力學(xué) 參數(shù) 模擬 分析

中圖分類號(hào)：TD313 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）06（c）-0245-02

由于12081采場(chǎng)圍巖運(yùn)移的復(fù)雜性，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)只能反映某一些方面或某幾方面的規(guī)律，難能對(duì)頂板活動(dòng)有一個(gè)全面的了解。采用相似模擬的研究方法，雖然在某些方面能取得很好的效果，但是，模擬的成本高，實(shí)驗(yàn)周期經(jīng)較長，并且一次只能模擬一種狀態(tài)。近年來，采用數(shù)值模擬方法能得到相似模擬所達(dá)不到的效果。本次采用UDEC數(shù)值模擬方法，研究不同初撐力條件下，上覆巖層的穩(wěn)定性。

1 煤巖體力學(xué)參數(shù)的選取

1.1 煤巖體力學(xué)參數(shù)的選取

關(guān)于巖體參數(shù)的參考值，其材料特性滿足庫侖—摩爾準(zhǔn)則。確定模型材料參數(shù)如表1所示。

1.2 節(jié)理和角點(diǎn)圓弧化

可以將巖石塊體之間的接觸面認(rèn)為是節(jié)理。根據(jù)不同的粗糙程度，個(gè)別的接觸點(diǎn)構(gòu)成接觸面系，通常兩個(gè)端點(diǎn)的接觸可以代表，端點(diǎn)會(huì)在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候發(fā)生相對(duì)的法向位移和切向位移。

塊體不僅會(huì)有面接觸還有點(diǎn)接觸，不管是點(diǎn)還是面的接觸，都會(huì)有數(shù)學(xué)上的奇異性，點(diǎn)接觸會(huì)引起計(jì)算上的應(yīng)力集中，但是實(shí)際情況是，尖角在力的作用下被折斷鈍化，因此還要將圓弧化處理加入到角點(diǎn)的計(jì)算中。

圓弧化處理角點(diǎn)之后，可以將圓弧的中心道邊的垂線和邊的交點(diǎn)作為邊和角的接觸點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)方向也就是垂線方向。兩個(gè)焦點(diǎn)的接觸點(diǎn)可以取兩個(gè)圓弧中心的聯(lián)機(jī)和圓弧交線的交叉點(diǎn)。經(jīng)過圓弧化處理的角點(diǎn)增加了計(jì)算的時(shí)間，但是角點(diǎn)接觸的奇異性被消除，這樣的計(jì)算和實(shí)際接觸點(diǎn)的物理圖像更加符合。本次模擬時(shí)round取值0.2。

1.3 剛度系數(shù)

在UDEC中節(jié)理的法向和切向剛度系數(shù)kn和ks的正確選取是至關(guān)重要的。如果剛度系數(shù)取得太大，剛體塊將連接成為一個(gè)整體，無相對(duì)運(yùn)動(dòng)可言；如果取得太小了，則剛體塊將成為一盤散沙，相互間沒有約束。作為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)的規(guī)則，剛度系數(shù)最大可取為剛度最大的鄰接塊體之間的等值剛度的十倍，即有：

式中：K為體積模量；

G為剪切模量；

△Zmin為節(jié)理兩側(cè)塊體單元的最小寬度。

如果取用太大的剛度系數(shù)，會(huì)將大幅增加計(jì)算時(shí)間，卻不會(huì)改變物理圖像。但是如果取用太小的剛度系數(shù)，時(shí)步會(huì)被增大，加快計(jì)算速度，但是節(jié)理“過軟”，塊體間“嵌入”太多，與實(shí)際情況不符。

剛度系數(shù)對(duì)于不同的巖石其變化是很大的。對(duì)于軟弱粘土夾層可為10～100 MPa/m。而對(duì)于花崗巖或玄武巖等的致密節(jié)理，則剛度系數(shù)甚至可以超過100 GPa/m。

UDEC中的剛度系數(shù)不同于一般彈性體的剛度系數(shù)，它僅僅作為單元間傳遞力的因子。剛度系數(shù)應(yīng)取足夠大，以使計(jì)算結(jié)果趨于穩(wěn)定值。同時(shí)考慮到計(jì)算費(fèi)用的經(jīng)濟(jì)性，在滿足精度和穩(wěn)定收斂要求的前提下，宜盡量減小塊體剛度，剛度系數(shù)一般取1010～1011 n/m較為適宜。計(jì)算中剛度系數(shù)取值1010。

2 UDEC數(shù)值模擬

2.1 低初撐力狀態(tài)模擬

根據(jù)實(shí)測(cè)單體支柱平均支護(hù)力為13.8 kN，采用UDEC進(jìn)行了數(shù)值模擬，按單體支柱平均支護(hù)力為90 kN，采用UDEC進(jìn)行了數(shù)值模擬。

2.2 UDEC模擬結(jié)果分析

從模擬結(jié)果可以得出，低支護(hù)力狀態(tài)下，頂板離層，平衡結(jié)構(gòu)形成的層位相對(duì)較低，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件發(fā)生變化時(shí)，遇斷層或特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)巖體時(shí)，容易出現(xiàn)頂板事故。高支護(hù)力狀態(tài)下，平衡結(jié)構(gòu)的層位相對(duì)較高，對(duì)工作面的影響也較小，工作面變形量也較小，工作環(huán)境大大改善。

采場(chǎng)圍巖運(yùn)移是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，動(dòng)態(tài)過程有兩層內(nèi)容，一是隨著時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)過程；二是隨支護(hù)力不同而變化的動(dòng)態(tài)過程。如圖1所示為低支護(hù)載荷條件下圍巖運(yùn)移狀態(tài)，支護(hù)頂板距平衡結(jié)構(gòu)8～12 m，平衡結(jié)構(gòu)對(duì)采場(chǎng)的影響較大，由于支護(hù)力過小，頂板易發(fā)生離層，支護(hù)狀態(tài)差。如圖2為合理支護(hù)條件下圍巖運(yùn)移狀態(tài)，平衡結(jié)構(gòu)下方巖層厚度為15～19 m，距離支柱較遠(yuǎn)，支柱上方頂板發(fā)生離層的可能性較小，采場(chǎng)處于安全狀態(tài)下。

2.3 FLAC數(shù)值模擬結(jié)果分析

從FLAC數(shù)值模擬可以看出，工作面的支護(hù)初撐力大小對(duì)工作面圍巖應(yīng)力分布有十分顯著的影響。低載荷，應(yīng)力峰值和高應(yīng)力范圍均顯著增大，而導(dǎo)致頂板剪應(yīng)力區(qū)顯著擴(kuò)大。而高載時(shí)，頂板剪應(yīng)力僅在煤壁上方很小的范圍出現(xiàn)峰值。

剪應(yīng)力從煤壁附近向控頂區(qū)上方頂板的擴(kuò)展是導(dǎo)致頂板破碎的主要原因，而頂板破碎范圍與支架載荷有關(guān)。

隨支護(hù)載荷的增加，煤壁前方的支撐壓力明顯減少。煤壁前方頂板應(yīng)力減少。由于支架載荷較低，煤壁前方垂直應(yīng)力增加，控頂區(qū)上方剪應(yīng)力集中程度增加，范圍增大。

控頂區(qū)上方的頂板鉛垂應(yīng)力隨支架載荷的增加明顯改善。支護(hù)載荷的增加，導(dǎo)致和圍巖應(yīng)力降低，從而改善圍巖控制，避免頂板破碎。

隨著支護(hù)載荷的加大，位移矢量也有所改變。位移矢量由低載垂直位移變?yōu)楦咻d的水平位移。即控頂區(qū)圍巖的穩(wěn)定性有所增強(qiáng)。

在主應(yīng)力圖中低載時(shí)，應(yīng)力矢量比較紊亂，很不規(guī)則。而高載時(shí)，主應(yīng)力矢量在煤壁上方的頂板巖層，指向煤壁前方，顯示了煤壁前方的應(yīng)力集中效應(yīng)和壓力拱效應(yīng)。

綜上所述，選擇合理的支護(hù)載荷（即高載荷）對(duì)工作面的圍巖控制是非常重要而且有利的（如圖3～4）。