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地下开采引起上覆岩层移动数值模拟研究摘要：本文在充分考虑岩石非均匀性及节理存在的基础上，应用RFPA2D-Strata数值统软件分析采动影响下覆岩移动的动态发展过程。模拟结果显示：开采过程中覆岩发生应力重分布，覆岩中破坏裂隙首先发生在节理等薄弱面，并沿结构弱面向四周发展。每一层岩层的冒落都会经历变形、离层、断裂和冒落这样一个过程。模拟研究对煤矿的安全开采提供了重要的保证。关键词：地下开采；覆岩移动；数值模拟中图分类号：TD322文献标识码：B文章编号：NumericalsimulationstudyonthemovementofoverlyingstratacausedbyundergroundminingAbstract:WeappliedRFPA2D-Stratanumericalsoftwaretoanalyzethedynamicdevelopmentprocessofcoverrockundermininginfluencewhichtakingfullaccountoftheexistencesofrockjoints.Simulationresultsshowthatstressredistributionintheprocessofmining,Intheoverlyingrock,thefailurecrackoccursinthejointsfirstandthentothesurrounding.Everyterraneshouldundergotheprocessofdeformation,separation,fractureandfalling.theexistenceofcavechangedthedestructionwayofcoverrock,Whichgiveanimportantguaranteeforthesafetyofcoalmining.Keywords:undergroundmining;stratamovement;numericalsimulation1引言我国煤炭资源丰富，而地下开采诱发的岩层移动及地表沉降是一个极其复杂的物理、力学过程，“三下”煤层开采引起的上覆岩层移动给国民经济和生态环境带来巨大的破坏的同时还威胁到矿工的生命安全[1]。长期以来，人们通过现场观测，物理模拟以及一些理论[2-5]分析来认识开采过程中的岩层变形、离层、冒落过程。由于数值模拟方法具有周期短、成本低的特点，该方法已经成为研究岩层移动的有力手段。一般连续介质力学理论和数值分析方都只能做一些简单的定性分析，而采用岩石破裂过程分析软件系统RFPA能反演采动过程中覆岩变形-离层-断裂全过程，可以系统的得出岩层移动破坏规律[6-12]。其基本思想是[13]:1、通过考虑细观单元力学参数的非均质性，模拟岩石宏观变形破坏的非线性行为；2、通过考虑材料破坏后单元的参数的弱化(包括刚度退化)，模拟材料破坏的非连续和不可逆行为。RFPA2D-Strata主要是面向岩土工程应用分析,可针对地下工程诱发的地表沉陷、岩层移动、巷道及隧道施工引起围岩变形破坏进行数值模拟分[7]。2数值模拟方案设计2.1模拟条件根据某煤矿煤层的赋存条件建立基本数值模型,设定有关参数进行数值模拟。模型尺寸取水平方向100m，垂直方向取50m，埋深150m，网个划分为100×200=20000个单元，采用平面应变问题。水平设置位移固定，上部自由边界，考虑岩层自重应力。岩层的物理力学参数如表1所示。表1岩层模型参数Table1Parametersofstratamodel层序岩性厚度/m弹性模量/MPa抗压强度/MPa自重/N.mm-3摩擦角/°顶板3砂岩308000802.6530顶板2砂岩7.55000502.535顶板1砂页岩53000302.537煤层2.51000251.838底版砂岩5100001002.6530位置均质度弹模抗压强度自重MS-TMS-C节理501000102.01.0202.2数值模拟计算模拟过程中，先对模型施加铅垂方向的自重应力，自重应力根据下公式求得，σz=γH式中:γ—覆岩石的重力密度；H—单元立方体所在的深度。当自重应力达到3.75MPa时，利用软件的开挖功能，通过开挖步控制，向右开挖30步，每步向右开挖1m，共开挖30m开挖宽度（高度）为2.5m，计算模型如图1：图1开采模型图Fig.1Chartofminingmodel2.3模拟结果模拟共计算150步，第一步为覆岩自重形成过程，第二步开始开挖。覆岩移动变形过程如图2所示。煤层开采过程中覆岩移动、垮落过程如图2(a、b、c、d、e、f、g、h)所示。对应于本数值模拟,如图2（a），开切眼形成后,上覆岩层悬露于采空区而失去下部岩层的支撑作用，在岩层自重作用下,采场周围、所采煤层本身和顶板岩层均发生应力重新分布，在采空区上方形成应力拱，应力拱对上部岩层起支撑作用，在应力拱范围内,岩层在水平方向上受挤压,形成压应力,铅垂方向上受拉伸作用,产生拉应力，而在应力拱范围之外，岩层的应力重分布主要是自重引起的，受采动影响较小。随着工作面推进，由图2(b、c)可知，开挖周围的围岩破坏程度比较小,顶板只有较少的节理裂隙破坏。由于开挖为覆岩移动下沉提供了空间，在自重提供的动力作用下上覆岩层发生弯曲下沉但下沉量较小。由图2(d、e)可知，在拉应力作用下,顶板中节理、裂隙等弱面处裂隙不断发展、贯通，直接顶中部产生小范围破坏。采空区上覆岩层弯曲下沉变大，下沉达到一定程度时岩层出现离层。随着开挖的推进，覆岩层悬露的跨度也增大，当跨度达到一定的值,直接顶弯曲沉降发展到一定限度,在岩梁的中部开裂超过其允许的沉降值时,直接顶开始破断，破断形式是从右端断裂，如图2(f、g)，随着破裂范围的扩大，直接顶自行冒落，形成拱形的冒落带且拉伸破坏不断贯通延伸产生新的裂隙。直接顶冒落逐渐完成,间接顶的裂隙不断增大，如图2(h)所示。图2数值模拟结果Fig.2Resultsofnumericalsimulation由上开挖对岩层移动过程的影响的RFPA模拟,可以发现,在开采过程中,每一层岩层的冒落都经历了变形、离层、断裂和冒落的过程。由于上覆各岩层的岩性、厚度、所处的地质埋深等不同，上下位岩层表现出非均匀下沉形式。采空区上覆岩层随着采掘工作面的推进出现周期性冒落,直至遇到接近地面的两层较硬岩层时,冒落过程才停止,形成稳定结构。3结论1）利用RFPA来模拟岩层移动效果较好，能反演岩层移动破坏的全过程，通过对模拟结果的分析，得出岩层移动的规律，岩层的移动变形从下向上逐层发展且表现出不同步性，开采过程中每一层岩层的冒落都会经历变形、离层、断裂和冒落这样一个过程。2）通过模拟，能直观地得到开采过程中岩层应力场的变化，煤层开采过程是一个打破原有覆岩应力平衡，通过应力重新分布达到新的平衡的过程，从应力场能分析岩层移动的本质。3）数值模拟的方法较物理相似材料模拟实验周期短，费用低，能快速预测岩层移动，从而减小和避免事故的发生，使生产安全化。参考文献[1]唐世斌，唐春安，梁正召．采动诱发灵新煤矿上覆岩层垮落过程的数值试验[J]．TangChun-an,LiangZheng-zhao,TangShi-bin.Numericalexperimentoftheoverlyingstratacavingprocessinthenewcoalmineofnewmine[J].[2]李文增，李岐，马群．采动影响下覆岩破坏动态发展过程的数值模拟[J]．金属矿山，2012，9：1-3．LiWen-Zeng,LiQi,MaQun.Miningundertheinfluenceofoverlyingstratafailuredynamicdevelopmentprocessofnumericalsimulation[J].Metalmine,2012,9:1-3.[3]肖正学，郭学斌，张继春．含软弱夹层边坡爆破层裂效应的数值模拟与实验研究[J]．2009：1-4．GuoXue-bin,XiaoZheng-xue,ZhangJi-chun.Numericalsimulationandexperimentalstudyofthecrackeffectofthecrackedlayerofthesoftbearing[J].2009:1-4.[4]孙广忠．岩体力学基础[M]．北京：科学出版社，1983．SunGuang-zhong.Rockmechanicsbasis[M].Beijing:SciencePress,1983．[5]邹友峰．条带开采地表沉陷预计新方法三维层状介质理论的研究[D]．北京：中国矿业大学，1994．ZouYou-feng.Researchonthenewmethodof3Dlayeredmediumtheorywithminingsubsidenceprediction[D].Beijing:ChinaUniversityofMiningandTechnology,1994[6]唐春安，徐曾和．岩石破裂过程分析RFPA2D系统在采场上覆岩层移动规律研究中的应用[J]．辽宁工程技术大学学报（自然科学版）．1999，18（5）：1-3．TangChun-an,XuZeng-heRockfailureprocessanalysissoftware(RFPA2D)intheminingfieldinthestudyofthelawofoverlyingstratamovement[J].LiaoningEngineeringTechnologyUniversityJournal(NATURASCIENCEEDITION),1999,18(5):1-3.[7]刘俊萍．基于RFPA一Starta的吴四屹堵矿岩层移动数值模拟[J]．科技创新与应用．2014，10：1．(a)Step11(b)Step21(c)Step26(e)Step56(f)Step70(g)Step114(h)Step140(c)Step31LiuJun-ping.BasedonRFPA-StartaofWuSiyirockstratamobilenumericalsimulation[J].technologyinnovationandapplication10:1.,.2014[8]杨校培，马莉萍。RFPA—2D系统在庚煤层采场顶板岩层移动数值计算研究中的应用[J]．山东煤炭科技，2012，1：1-3．MaLi-ping,YangXiao-pei.RFPA2DsysteminGcoalminingroofmovementfieldnumericalcalculationstudy[J].Shandongcoalscienceandtechnology,2012,1:1-3.[9]唐春安，王述红，傅宇芳．岩石破裂过程数值实验[M]．北京：科学出版社，2012．WangShu-hong,TangChun-an,FuYuf-ang.Numericalexperimentofrockfailureprocess[M].Beijing:SciencePress,2012.[10]刘红元，刘建新，唐春安．采动影响下覆岩垮落过程的数值模拟[J]．岩土工程学报．2001，23（2）：1-4．LiuJian-xin,TangChun-an,LiuHong-yuan.Numericalsimulationoftheoverburdencavingprocessundertheinfluenceof.2001,23(2):1-4.[11]段俭君．基于RFPA的煤层开采冒裂带发育高度预测分析[J]．河北工程大学学报(自然科学版)．2013，3（2）：1-5．DuanJian-jun.BasedonRFPAcoalminingcavingzonedevelopmenthighlypredictiveanalysis[J].HebeiEngineeringUniver