林健云，左宇軍,3,4,5*，王 浩，于美魯，稅 越，戴亦軍，劉榮波

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；3.喀斯特地區(qū)優(yōu)勢礦產(chǎn)資源高效利用國家地方聯(lián)合工程實驗室，貴州 貴陽 550025；4.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點實驗室，貴州 貴陽 550025；5.復(fù)雜地質(zhì)礦山開采安全技術(shù)工程中心，貴州 貴陽 550025；6.中建隧道建設(shè)有限公司，重慶 400000)

我國煤礦以井工開采為主，頂板冒裂帶預(yù)測及其控制是保障煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵要素之一[1]。頂板冒裂帶是煤層頂板水進入工作面的主要通道，其發(fā)育規(guī)律是決定工作面是否出水及出水時長的關(guān)鍵問題[2]，采動頂板應(yīng)力與位移分布變化規(guī)律對頂板冒裂帶有重要參考價值。目前，對于頂板采動應(yīng)力和位移分布變化的研究可分為理論分析法、數(shù)值計算法和現(xiàn)場實測法3種[3]。在理論分析方面，錢鳴高等基于統(tǒng)計分析，通過對煤礦頂板采動破壞帶的現(xiàn)場觀測，總結(jié)得到頂板破壞高度經(jīng)驗公式[4-5]；在數(shù)值計算方面，許多專家先后通過有限元、有限差分和離散元等數(shù)值分析軟件模擬采動后圍巖應(yīng)力場和位移場變化情況、塑性區(qū)的分布范圍[6-11]；在現(xiàn)場觀測方面，主要有“十字測量法”、鉆孔雙端堵水法、聲發(fā)射法等手段對頂板采動破壞進行監(jiān)測和研究[12-15]。對于不同巖性組合條件下圍巖的采動效應(yīng)研究主要是運用理論分析、數(shù)值試驗和現(xiàn)場觀測等多手段結(jié)合的方式，對不同組合頂?shù)装逶诓蓜幼饔孟碌淖冃纹茐奶卣鬟M行研究[16-20]。但在考慮頂板不同巖性組合條件下的采動應(yīng)力和位移分布變化規(guī)律研究較少。本文擬采用FLAC3D建立8種不同組合類型的數(shù)值計算模型，研究不同巖性組合類型頂板的應(yīng)力和位移分布變化規(guī)律，結(jié)果對煤礦安全高效生產(chǎn)具有參考意義。

1 模型建立

數(shù)值計算模型依據(jù)葫蘆素煤礦實際的地質(zhì)條件進行處理。煤層埋深600 m，煤層厚3 m，分5次開采，采空區(qū)長度為100～300 m，底板總厚57 m。為保證模擬尺度，建立模型長×寬×高=400 m×100 m×120 m，如圖1所示。從下往上分別為底板，3 m厚的煤層，15 m×4層的組合頂板，組合類型為全軟、全硬、硬-硬-軟-軟(上硬下軟)、軟-軟-硬-硬(上軟下硬)、硬-軟-硬-軟、軟-硬-軟-硬、軟-硬-硬-軟和硬-軟-軟-硬8種。

模型約束條件為固定兩側(cè)水平位移和下邊界垂直位移[21]，即X方向、Y方向水平位移為0，上邊界施加12 MPa上覆巖層等效荷載，采用Mohr-Coulomb準則進行計算[22]。計算模型共布置計算測點80個，監(jiān)測頂板上覆巖層的垂直應(yīng)力、位移量和剪應(yīng)力值，分布在以間距20 m，煤層上部5 m、10 m、15 m、20 m的4條測線上，見圖2。用FLAC3D內(nèi)置的HISTORY 記錄采樣命令。模型中選用巖性參數(shù)選取值如表1所示。

圖1 數(shù)值模型圖Fig.1 Numerical model diagram

圖2 數(shù)值計算檢測模型圖Fig.2 Numerical calculation detection model diagram

表1 模擬巖石參數(shù)取用值Tab.1 Simulated rock parameter extraction values

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 不同巖性組合頂板垂直應(yīng)力分布

巷道的垂直應(yīng)力監(jiān)測的位置為頂板上方5 m、10 m、15 m、20 m處，監(jiān)測的范圍為水平方向0～400 m，通過計算得出不同條件下相應(yīng)頂板位置的垂直應(yīng)力分布云圖,見圖3。

圖3 頂板垂直應(yīng)力分布圖Fig.3 Roof vertical stress distribution diagram

通過圖3可以看出，頂板在不同巖性情況下圍巖的最大垂直應(yīng)力不同。全軟巖為35.15 MPa，全硬巖頂板為44.30 MPa，上硬下軟頂板為35.87 MPa，上軟下硬頂板為44.18 MPa；頂板為軟硬互層組合類型時的垂直應(yīng)力介于頂板類型為上軟下硬和上硬下軟二者之間，其中硬-軟-硬-軟為36.51 MPa，軟-硬-軟-硬為42.40 MPa，軟-硬-硬-軟為38.83 MPa，硬-軟-軟-硬為40.46 MPa。不同巖性組合頂板條件下的垂直應(yīng)力關(guān)系：全軟巖<上硬下軟<硬-軟-硬-軟<軟-硬-硬-軟<硬-軟-軟-硬<軟-硬-軟-硬<上軟下硬<全硬巖。從垂直應(yīng)力關(guān)系中可以看出：垂直應(yīng)力與軟弱巖層的厚度、層位有關(guān)；垂直應(yīng)力隨軟巖厚度增加而減小，隨硬巖厚度增加而增大；當(dāng)煤層與頂板軟巖直接接觸時，垂直應(yīng)力隨軟巖層的間距增加而增大；當(dāng)煤層與頂中應(yīng)力與巖體的強板硬巖直接接觸時，垂直應(yīng)力隨硬巖層的間距增加而減小。

2.2 不同巖性組合頂板剪應(yīng)力分布

8種模型的頂板剪應(yīng)力分布情況如圖4所示。全軟巖頂板的剪應(yīng)力集中區(qū)位于采空區(qū)兩端上方，最大值為8.34 MPa，云圖近似三葉草形；全硬巖頂板的剪應(yīng)力最大值為12.64 MPa，云圖形狀與均質(zhì)軟巖類似，應(yīng)力集中范圍較全軟巖的小(位于采空區(qū)兩端上0～45 m范圍內(nèi))；上硬下軟組合頂板的剪應(yīng)力最大值為15.63 MPa，位于采空區(qū)兩端上30 m處的硬巖中，此外采空區(qū)兩端的軟巖層出現(xiàn)了一定規(guī)模的次級集中區(qū)；頂板上軟下硬組合頂板的剪應(yīng)力最大值為12.48 MPa，位于采空區(qū)兩端上的硬巖中，云圖近似三葉草狀；軟硬互層組合類型頂板的剪應(yīng)力集中區(qū)均位于上覆巖層的硬巖中，其最大值關(guān)系：軟-硬-硬-軟(15.24 MPa)<硬-軟-軟-硬(15.78 MPa)<硬-軟-硬-軟(15.81 MPa)<軟-硬-軟-硬(15.89 MPa)。

圖4 頂板剪應(yīng)力分布圖Fig.4 Roof shear stress distribution diagram

2.3 不同巖性組合頂板垂直位移分布

通過圖5可以看出8種組合類型頂板垂直位移分布圖差異性明顯：頂板全為軟巖時位移現(xiàn)象最為強烈，位移區(qū)域于巷道中間對稱，垂直位移為8.3939 m；頂板全為硬巖時垂直位移為0.46492 m，位移現(xiàn)象較不明顯；頂板為上硬下軟時垂直位移為1.6345 m，頂板上軟下硬時垂直位移為1.1604 m；當(dāng)頂板為軟硬互層組合類型時，位移區(qū)段分區(qū)明顯，硬-軟-硬-軟頂板垂直位移為1.3182 m，軟-硬-軟-硬頂板垂直位移為1.0375 m，軟-硬-硬-軟頂板垂直位移為1.0712 m，硬-軟-軟-硬頂板垂直位移為1.2331 m。不同巖性組合頂板條件下的垂直位移關(guān)系：全硬巖<軟-硬-軟-硬<軟-硬-硬-軟<上軟下硬<硬-軟-軟-硬<硬-軟-硬-軟<上硬下軟<全軟巖。在不同巖性組合頂板條件下，頂板為全軟巖時變形量遠大于頂板為全硬巖和軟硬組合的變形量。頂板為軟硬組合的6種組合類型中：頂板為上硬下軟的變形量比上軟下硬的大；頂板為硬-軟-硬-軟的變形量比軟-硬-軟-硬的大；頂板為硬-軟-軟-硬的變形量比軟-硬-硬-軟的大。

距頂板上方5 m到20 m的垂直位移變化如圖6所示，相同條件下隨著頂板間距的加大，垂直位移呈現(xiàn)降低趨勢；不同組合類型在相同位置的垂直位移關(guān)系為全軟巖>上軟下硬>上硬下軟>軟硬巖互層>全硬巖。隨著垂直方向上深度的增加，頂板垂直位移在降低，其中頂板全為軟巖和上軟下硬組合條件下頂板垂直位移的降低幅度先大后小，而其他條件下頂板垂直位移的降低幅度均為先小后大。最終在頂板深處組合類型為上硬下軟的頂板位移量將超過組合類型為上軟下硬的位移量。

圖5 頂板垂直位移分布圖Fig.5 Roof vertical displacement distribution diagram

圖6 頂板垂直位移曲線圖Fig.6 Roof vertical displacement curve

3 結(jié)論

(1)頂板全為硬巖時集中應(yīng)力最大，全為軟巖時最?。徊煌瑤r性組合條件下頂板的垂直應(yīng)力關(guān)系：全軟巖<上硬下軟<硬-軟-硬-軟<軟-硬-硬-軟<硬-軟-軟-硬<軟-硬-軟-硬<上軟下硬<全硬巖。

(2)頂板的剪應(yīng)力集中區(qū)主要位于上覆巖層的硬巖中，剪應(yīng)力最大組合頂板類型為軟-硬-軟-硬組合。

(3)在不同巖性組合條件下，頂板為全軟巖時的變形量遠大于頂板為全硬巖及軟硬巖組合的變形量。相同頂板條件下隨著距離的加大，頂板垂直位移量呈現(xiàn)降低趨勢。