第２１卷第１２期　２０１２年１２月中　国　矿　业ＣＨＩＮＡ　ＭＩＮＩＮＧ　ＭＡＧＡＺＩＮＥ　Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．１２Ｄｅｃ．　２０１２巨厚砾岩层工作面覆岩移动规律数值模拟研究姜海强１，２，李　猛１，２，吴晓刚１，２，杜　杰１，２，房　萧１，２（１．中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州２２１１１６；２．煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州２２１００８） 摘　要：基于义马矿区千秋煤矿工作面的采矿地质条件，采用离散元分析软件ＵＤＥＣ，建立了巨厚砾岩工作面覆岩移动的数值模型，模拟研究了上覆巨厚砾岩层的位移变化、塑性区分布和应力分布规律，结果表明：随着工作面的推进，砾岩层逐渐弯曲变形，接着上覆岩层总体均发生屈服，巨厚砾岩层与下方的岩层离层加大，到达一定距离后工作面左侧的岩层弯曲下沉强烈，岩层底部塑性屈服区域发生破坏，如果继续开采岩层会发生断裂，容易引起冲击矿压危险。

关键词：数值模拟；巨厚砾岩层；覆岩移动规律；冲击矿压危险 中图分类号：ＴＤ３２５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－４０５１（２０１２）１２－０１０８－０４Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ　ｓｔｒａｔａ　ｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｖｉｎｇ　ｆａｃｅ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｔｈｉｃｋ　ｃｏｎｇｌｏｍｅｒａｔｅ　ｌａｙｅｒＪＩＡＮＧ　Ｈａｉ－ｑｉａｎｇ１，２，ＬＩ　Ｍｅｎｇ１，２，ＷＵ　Ｘｉａｏ－ｇａｎｇ１，２，ＤＵ　Ｊｉｅ１，２，ＦＡＮＧ　Ｘｉａｏ１，２（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｉｎｅ，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｍｉｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ　２２１１１６，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｃｏａｌ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ｍｉｎｅ　Ｓａｆｅｔｙ，Ｘｕｚｈｏｕ　２２１００８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｄａｔａ　ｏｆ　Ｑｉａｎｑｉｕ　ｃｏａｌ　ｍｉｎｅ　ｉｎ　Ｙｉｍａ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｂｕｉｌｔ　ａ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｖｉｎｇ　ｆａｃｅ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｔｈｉｃｋ　ｃｏｎｇｌｏｍｅｒａｔｅ　ｌａｙｅｒ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＵＤＥＣ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ　ｓｔｒａｔａｍｏｖｅｍｅｎｔ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｔｈｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ：ａｓ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｏｆ　ｍｉｎｉｎｇ　ａｒｅａ，ｔｈｅ　ｔｈｉｃｋｃｏｎｇｌｏｍｅｒａｔｅ　ｌａｙｅｒ　ｇｒａｄｕａｌｌｙ　ｂｅｎｄｅｄ，ｔｈｅｎ，ｔｈｅ　ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ　ｓｔｒａｔａ　ｙｉｅｌｄｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｔｈｉｃｋｃｏｎｇｌｏｍｅｒａｔｅ　ｌａｙｅｒ　ａｎｄ　ｌｏｗｅｒ　ｓｔｒａｔａ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ａｆｔｅｒ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｄｉｓｔａｎｃｅ，ｔｈｅ　ｓｔｒａｔａ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｌｅｆｔ　ｏｆ　ｃａｖｉｎｇ　ｆａｃｅｓｉｎｋ　ｉｎｔｅｎｓｅｌｙ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｌａｓｔｉｃ　ａｒｅａｓ　ｏｆ　ｌｏｗｅｒ　ｌａｙｅｒｓ　ｗｅｒｅ　ｄｅｓｔｒｕｃｔｅｄ．Ｉｆ　ｔｈｅ　ｃａｖｉｎｇ　ｆａｃｅ　ｃｏｎｔｉｎｕｅｓ　ｔｏ　ａｄｖａｎｃｅ，ｔｈｅ　ｔｈｉｃｋ　ｃｏｎｇｌｏｍｅｒａｔｅ　ｌａｙｅｒ　ｍａｙ　ｂｒｅａｋ，ｗｈｉｃｈ　ｃｏｕｌｄ　ｃａｕｓｅ　ｒｏｃｋ　ｂｕｒｓｔ． Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｔｈｅ　ｔｈｉｃｋ　ｃｏｎｇｌｏｍｅｒａｔｅ　ｌａｙｅｒ；ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ　ｓｔｒａｔａ　ｍｏｖｅｍｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｒｏｃｋ　ｂｕｒｓｔ收稿日期：２０１２－０７－２７作者简介：姜海强（１９８８－），安徽阜阳人，硕士研究生，主要研究方向为固体充填采煤。

煤层顶板岩层的特性，特别是巨厚坚硬顶板是诱发煤矿冲击矿压的重要影响因素之一。

随着上覆岩层悬顶长度的增大，巨厚顶板岩层中聚积的能量变大，当顶板发生破断和滑移失稳时，巨厚顶板聚积的大量能量瞬间释放，从而诱发顶板型冲击矿压。

目前，国内外学者对巨厚砾岩层的研究较少，主要集中在冲击矿压、地表沉陷等方面，鲜有对上覆巨厚砾岩层的运动规律和破坏形式等方面的研究。

史红、姜福兴等利用两端嵌固梁力学模型，对厚层坚硬顶板的破断规律进行了分析，根据岩层中的应力场分布，提出了大厚度坚硬岩层的３种破坏方式的力学判断。

王金安等运用弹性基础厚板理论，研究巨厚岩浆岩下煤层不同开采阶段对上覆岩层的影响，以及岩浆岩变形规律与破坏形式。

轩大洋、许家林等采用离散元计算方法，研究了巨厚火成岩下开采时的采动应力演化规律，从采动应力影响范围的角度，解释了煤与瓦斯突出灾害的原因。

本文结合义马矿区千秋煤矿２１１４１实际工程地质条件，利用ＵＤＥＣ数值模拟软件，建立了采动影响下覆岩运动变化的数值模型，得到了覆岩的位移变化、塑性区分布和应力分布规律。

１　采矿地质条件千秋煤矿２１１４１工作面位于矿井西部二水平第１２期姜海强，等：巨厚砾岩层工作面覆岩移动规律数值模拟研究２１采区下山西翼。

地面标高５９０．１～６１７．５ｍ，工作面标高为－３８．１～－８４．７ｍ，平均采深６３８ｍ。

工作面可采走向长度１２９８ｍ，倾斜长度１３０ｍ，倾角１０°～１４°，煤层平均厚度为２０ｍ。

直接顶为深灰色泥岩，厚度２３～２７ｍ，平均２５ｍ。

基本顶岩性为砾岩，厚度平均４０７ｍ。

煤层底板岩性复杂，自上而下由砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩以及含砾相土岩组成，厚度０．３～６．７ｍ，平均６．７ｍ。

２　模拟软件的选取及模型的建立２．１　数值模拟软件的选取本文的数值模拟软件采用二维离散元分析软件ＵＤＥＣ，该软件能够很好地模拟岩体的复杂力学和结构特性。

离散的岩块允许大变形，允许沿节理面滑动、转动和脱离冒落；在计算过程中，能够自动识别新的接触。

单个块体可以是刚体或者是可变形的，接触是可变形的。

节理的相对运动遵循法向或切向的线性或非线性运动关系。

结合ＣＡＤ软件，可以形象直观地反映岩体运动变化的应力场、位移场、速度场等各力学参量的变化。

２．２　数值模型的建立根据２１１４１工作面的采矿地质条件，建立了与工作面实际情况基本相同的数值计算模型。

由于本文研究上覆巨厚砾岩层对工作面回采的影响，模型没有简化，模型上边界为地表，数值模型的左右边界不小于一个完整工作面的开采及影响范围，大小为１３８０ｍ×７００ｍ。

建立的数值模型见图１。

图１　巨厚砾岩层工作面覆岩运动规律数值模型２．３　模型的开挖步骤模拟煤层从左到右开挖，开挖步距为１０ｍ，模型左右边界为位移约束ｕｘ＝０；下边界也为位移边界ｕｙ＝０。

模拟岩层的参数采用岩石真实的力学参数，见表１。

表１　千秋煤矿岩性及力学性能层号岩石名称模型深度／ｍ厚度／ｍ弹性模量／ＧＰａ抗压强度／ＭＰａ泊松比密度／（１０３ｋｇ·ｍ－３）内摩擦角／°１砾岩４２１　４２１　２４　４５　０．２８　２．２　３５２细沙岩４５１　３０　３５　６０　０．２５　２．６　３０３砾岩４６４　１３　２４　４５　０．２８　２．２　３５４粉沙岩５０３　３９　２８　４０　０．２７　２．１　２８５砾岩５１８　１５　２４　４５　０．２８　２．２　３５６细沙岩５３９　２１　３５　６０　０．２５　２．６　３０７砾岩５４９　１０　２４　４５　０．２８　２．２　３５８粉沙岩５７５　１３　２８　４０　０．２７　２．１　２８９泥岩６０３　２８　１６　２８　０．３　１．８　２５１０　２煤６２９　２６　９　１６　０．３４　１．６　２６１１泥岩６３３　４　１６　１６　０．３　１．８　２５１２粉砂岩６３８　５　２８　４０　０．２７　２．１　２８３　数值模拟结果及分析３．１　工作面推进不同距离覆岩位移变化规律当２１１４１工作面进行分步开采时，不同开采阶段上覆岩层的位移及垮落情况不同，如图２所示。

由图２可知，当工作面刚开始推进时，上覆岩层只出现了一些弯曲，并未有岩石垮落。

当工作面推进４０ｍ距离时，此时直接顶发生初次垮落，垮落值为０～５ｍ，覆岩继续弯曲变形。

当工作面推进６０ｍ距离时，此时基本顶初次来压，随着工作面的推进，工作面周期来压步距为５０ｍ左右。

岩层垮落明显，垮落值达到了１６ｍ。

并且上覆岩层呈现出较大的弯曲变形，岩层之间离层明显。

当工作面推进１５０ｍ时，由于开采距离加大，上覆岩层出现明显的弯曲下沉，砾岩层坚硬不垮，其下面岩层垮落面积较大，垮落的岩石充满了采空区。

当工作面推进３１０ｍ时，采空区被垮落的岩石充满。

砾岩层以下的岩层发生大面积旋转下沉，在细砂岩和巨厚砾岩层之间出现了明显的离层，巨厚砾岩层悬空不垮落。

随着工作面继续推进，巨厚砾岩层开始自下而上逐层垮落。

当垮落岩石充满离层空间时，砾岩层不再发生垮落。

９０１中国矿业第２１卷图２　工作面推进不同距离岩层垮落形态３．２　２１１４１工作面推进不同距离覆岩的塑性变化规律图３为工作面推进不同距离覆岩塑性区发展形态。

工作面推进６０ｍ时，工作面顶板大部分区域发生屈服，形成屈服区和塑性区。

小部分区域发生拉伸破坏。

顶板与巨厚砾岩层之间的岩层，受采动影响较小，塑性区发展缓慢。

上方的巨厚砾岩层，由于自身的刚度较大，所以其没有发生明显变形。

图３　工作面推进不同距离覆岩塑性区发展形态工作面推进到１００ｍ后，覆岩塑性区发育面积加大，顶板与覆岩发生弯曲下沉并且岩层底部出现了屈服。

工作面前后方的煤体区域受采动影响后，屈服体积更大，影响范围更加广泛。

工作面推进到２００ｍ后，工作面前方的岩层几乎都发生了塑性变形，上方的岩层之间有屈服变形和塑性变形产生，左侧的岩层弯曲下沉强烈，岩层底部塑性屈服区域已经发生破坏。

３．３　工作面推进不同距离时覆岩的应力变化规律２１１４１工作面回采过程中应力变化规律，如图４所示。

图４（ａ）是工作面分别推进６０ｍ、３００ｍ和５５０ｍ时的应力变化情况。

从图４中可以看出，随着开采空间的变大，工作面最大支承应力值也不断变大，煤壁两端的支撑应力在２５～３０ＭＰａ之间，采空区应力降低到１５ＭＰａ以下。

当工作面推进３１０ｍ后，巨厚０１１第１２期姜海强，等：巨厚砾岩层工作面覆岩移动规律数值模拟研究图４　工作面推进不同距离应力情况砾岩层不再悬空，开始触底稳定，采空区应力得以恢复。

图４（ｂ）是工作面分别推进８００ｍ、１０５０ｍ、１３００ｍ时的应力变化情况。

从图４中可以看出，随着推进距离的加大，采空区垮落的岩石逐渐被上方下沉的岩层压实，岩层受到支撑应力增大，最大值达到２８ＭＰａ。