黃　鈴，　王　軍，　吳德義

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,安徽 合肥　230601)

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巨厚砂巖頂板“三帶”范圍的數(shù)值模擬與界定

黃鈴，王軍，吳德義

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院,安徽 合肥230601)

摘要：為定量劃分采空區(qū)上覆巨厚砂巖頂板的“三帶”范圍，根據(jù)數(shù)值模擬的應(yīng)力與位移結(jié)果，提出“三帶”的界定準(zhǔn)則：將上覆巖層中主應(yīng)力都為拉應(yīng)力的區(qū)域定為冒落帶；將只有一個(gè)主應(yīng)力為拉應(yīng)力的巖層高度定為裂隙帶的上限。采用FLAC3D軟件對(duì)開采過程中的頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果一致。表明此界定準(zhǔn)則可為地質(zhì)條件相似礦區(qū)的頂板“三帶”分布提供借鑒。

關(guān)鍵詞：采空區(qū)；三帶；數(shù)值模擬；頂板

0引言

隨著煤礦開采逐漸加深，在全國(guó)各地巨厚砂巖頂板普遍分布。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)的“三帶”范圍不適用工程實(shí)際。本文采用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬確定巨厚砂巖頂板“三帶”范圍。

1“三帶”界定準(zhǔn)則

巖石是一種抗壓強(qiáng)度較高而抗拉強(qiáng)度極低的材料,所以采空區(qū)上覆巖性會(huì)影響受力。如果采空區(qū)覆巖三個(gè)方向主應(yīng)力都為拉應(yīng)力，該位置處巖石將產(chǎn)生全面拉破壞，該處頂板冒落形成冒落帶；如果只有一個(gè)主應(yīng)力是拉應(yīng)力，則與該拉應(yīng)力方向垂直的方向?qū)a(chǎn)生明顯裂隙，形成裂隙帶。

采空區(qū)覆巖冒落區(qū)、裂隙區(qū)、彎曲下沉帶的位移梯度不同，可以根據(jù)位移梯度大小來估算“三帶”高度。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，進(jìn)入彎曲下沉帶覆巖進(jìn)入彎曲下沉帶覆巖位移梯度約為冒落帶位移梯度的0.4～0.5倍。依此可以確定裂隙帶高度。

2FLAC3D建模

運(yùn)用FLAC3D建立開采模型，施加合理的邊界約束條件和應(yīng)力并求解。后處理得到各種所需的應(yīng)力、位移圖。結(jié)合上面的“三帶”界定方法。獲得“三帶”的范圍。

圖1三維模型圖

三維建模。通過三維建模得到模型長(zhǎng)、寬各400米，高650米如上圖1所示。采用莫爾-庫侖準(zhǔn)則作為本構(gòu)關(guān)系。所需的力學(xué)參數(shù)包括體積模量、彈性模量、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度和密度。通過現(xiàn)場(chǎng)取樣實(shí)測(cè)得出參數(shù)如下表1所示：

表1　現(xiàn)場(chǎng)取樣各層物理力學(xué)、參數(shù)

模擬開挖采用null模型進(jìn)行模擬。模型長(zhǎng)寬高為150m×150m×4m。分為3組模擬如下表2所示。

表2　三組計(jì)算模型的尺寸

3模擬結(jié)果

(1)各模型中部的第一、第三主應(yīng)力如下圖2、圖3、圖4所示。由圖可得：采空區(qū)中部的下沉位移最大，從模型的采空區(qū)中部做切片可以分析得到冒落帶、裂隙帶的大致范圍，便于指導(dǎo)生產(chǎn)。

圖2覆巖主應(yīng)力等值線圖(計(jì)算模型1)

圖3覆巖主應(yīng)力等值線圖(計(jì)算模型2)

由圖2、圖3、圖4可知冒落帶的形狀受第一主應(yīng)力影響最大，呈倒扣的碗狀。在冒落帶高度分布中，中間冒落帶高于兩邊冒落帶。裂隙帶的形狀受第三主應(yīng)力影響最大，呈馬鞍形。在裂隙帶高度分布中，中間裂隙帶低于兩邊裂隙帶。

圖4覆巖主應(yīng)力等值線圖(計(jì)算模型3)

4模擬結(jié)果分析

(1)以壓應(yīng)力為正，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，可以得出不同模型采空區(qū)中部覆巖主應(yīng)力隨距采空區(qū)頂板距離變化分別如下圖5所示。

圖5不同模型采空區(qū)覆巖主應(yīng)力隨距采空區(qū)頂板距離變化

以覆巖主應(yīng)力都為拉應(yīng)力范圍作為冒落帶，將一個(gè)方向主應(yīng)力為拉應(yīng)力的范圍作為裂隙明顯的裂隙帶高度?？傻玫讲煽諈^(qū)巨厚砂巖頂板冒落帶高度為23.0m，裂隙帶高度44.0m。頂板巖性及厚度影響冒落帶及裂隙帶高度。當(dāng)頂板厚度由37.0m減小到10.0m時(shí)，冒落帶高度由23.0m減小到19.0m，裂隙帶由44.0m減小到36.0m，；當(dāng)頂板巖性由砂巖轉(zhuǎn)化為泥巖時(shí)，冒落帶高度由23.0m減少到18.0m，裂隙帶高度由44.0m減少到38.0m, 在采空區(qū)“三帶”范圍的影響因素中，巖性的重要性超過巖層高度。

新集二礦210108工作面1煤采空區(qū)巨厚砂巖頂板冒落帶高度為23.0m，明顯裂隙帶高度44.0m,裂隙帶高度86.0m。頂板巖性及厚度影響冒落帶及裂隙帶高度。當(dāng)頂板厚度由33.0m減小到10.0m時(shí)，冒落帶高度由23.0m減小到19.0m，明顯裂隙帶由44.0m減小到36.0m，裂隙帶高度由84.0m減小到74.0m；當(dāng)頂板巖性由砂巖轉(zhuǎn)化為泥巖時(shí)，冒落帶高度由23.0m減少到18.0m，明顯裂隙帶高度由44.0m減少到38.0m, 裂隙帶高度由84.0m減小到70.0m。

5工程驗(yàn)證

工程驗(yàn)證在淮南某礦進(jìn)行。由鄰近該工作面,從該巷道頂板由下向上向已冒落的工作面采空區(qū)鉆傾斜鉆孔進(jìn)行觀測(cè)已形成的采空區(qū)覆巖“三帶”高度分布。鉆孔布置如圖6所示。鉆孔攝像儀采用YTJ2型巖層探測(cè)記錄儀。

圖6工程示意圖

鉆孔攝像儀觀測(cè)孔不同深度h攝像圖片如圖7所示。

圖7不同孔深度的攝像成像

鉆孔深度h=15.0m位于210106機(jī)巷和210108工作面之間煤柱中。攝影圖片7(a)表明鉆孔深度h=15.0m位置巖石已產(chǎn)生較為明顯裂隙，說明工作面采動(dòng)會(huì)引起鄰近煤層頂板明顯破壞，破壞范圍應(yīng)在(2.0～3.5)m。鉆孔深度h=20.0m攝像圖片7 (b)也說明鄰近煤層頂板已產(chǎn)生破壞。鉆孔深度h=25.0m位置剛進(jìn)入采空區(qū)，攝像圖片7 (c)表明該位置巖石裂隙明顯；攝像圖7 (d-h) 表明鉆孔深度h=28.0～36.0m范圍采空區(qū)頂板裂隙明顯，h超過40.0m時(shí)僅有微裂隙產(chǎn)生，表明明顯裂隙帶高度應(yīng)大約為38.0m。

攝影圖片5(b-c)表明鉆孔深度h=20.0～24.0m范圍采空區(qū)頂板覆巖產(chǎn)生明顯冒落，攝影圖片5(c-f)表明鉆孔深度h=25.0～40.0m范圍采空區(qū)頂板覆巖未產(chǎn)生明顯冒落，但裂隙明顯。說明采空區(qū)冒落帶高度大約為21.0m。

工程實(shí)測(cè)得出的冒落帶及裂隙帶高度和數(shù)值模擬結(jié)果基本相同，說明數(shù)值模擬結(jié)果和界定準(zhǔn)則合理可行。

6結(jié)論

(1)提出了采空區(qū)數(shù)值模擬下的“三帶”界定準(zhǔn)則，將采空區(qū)中部上覆巖層主應(yīng)力全為正應(yīng)力的覆巖范圍作為冒落帶的高度，將采空區(qū)中部上覆巖層第三主應(yīng)力為正應(yīng)力的覆巖范圍作為裂隙帶的高度。

(2)對(duì)冒落帶、裂隙帶的形狀從主應(yīng)力的分布情況給予解釋。冒落帶主要受第一主應(yīng)力影響。冒落帶的形狀和第一主應(yīng)力分布形狀相同，為倒扣的碗狀；裂隙帶主要受第三主應(yīng)力影響。裂隙帶的形狀和第三主應(yīng)力分布形狀相同，為馬鞍形。

(3)通過工程實(shí)測(cè)證實(shí)巨厚砂巖頂板“三帶”分布范圍與數(shù)值模擬得到的數(shù)值相符。說明“三帶”界定準(zhǔn)則具有工程應(yīng)用價(jià)值，可以作為采空區(qū)高抽巷和防水煤柱布置的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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Numerical Simulation and definition of “Three Zones”

in exstremely thick sandstone roof

HUANG Ling，WANG Jun，WU Deyi

(Civil Engineering School of Anhui Jianzhu University , Hefei 230601, China)

Abstract:In order to quantitatively divide the rang of “three zones” in extremely thick sandstone roof, definition criterion of “three zones” was proposed based on the distribution of stress by the numerical simulation. According to the definition criterion, the zones in which the first primary stress is tensile stress are the caving zone; the upper boundary of the fracture zone is defined in the height in which only one primary stress is tensile stress. Then, the laws of roof movement were simulated by FLAC3D software during the process of the exploitation. As the results, the simulation results are matched with the field observation. This definition criterion has a certain guiding significance for definition of the range of “three zones” in similar geological condition.

Key words:mined area; three zones; numerical simulation; roof

中圖分類號(hào)：TU411.01

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8382(2015)02-039-04

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150208

作者簡(jiǎn)介：黃鈴(1987-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈叵陆Y(jié)構(gòu)計(jì)算理論與應(yīng)用。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51374009)

收稿日期：2014-09-05