湖南科技大学学报(自然科学版l
Journal
ofHunanUniversityofScience&Technology(Natural
Science
VoI．25No．3
Edition)
Sept．2010
厚黄土层条件下综放开采覆岩破坏数值模拟研究
戴华阳1，刘继岩1’2，廉旭刚，，刘吉波t
(1．中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京100083；2．华晋焦煤有限责任公司王家岭煤矿建设指挥部，山西河津043300)
摘要：厚黄土层条件下综放开采E覆岩层的破坏有其特臻睦刑用离散元方法模拟某工作面开采的岩层移动过程，分析了在厚黄土层作用下岩层的破坏形态和移动轨迹，揭示了覆岩应力、位移随工作面推进的变化趋势．提出了关键层破断前后覆岩破坏的2种结构形态：有拱
结构和无拱结构．在2种结构下，厚黄土层对采空区t覆岩层应力和位移变化的影响有着显著差异研究结果时矿区的安全生产有重要意叉
关键词：厚黄土层；覆岩破坏规律；关键层；离散元；有拱结构和无拱结构，
中图分类号：TD325文献标识码：A
文章编号：1672—9102(2010)03—0001-04
煤炭开采引起的岩层破坏，给矿井安全生产带来了隐患．掌握覆岩破坏规律，对矿井安全生产有重要的指导意义．国内外学者对厚松散层条件下地表移动特点和规律研究较多【闷，一些学者应用数值模拟对覆岩的破坏规律进行了研究p111，厚黄土层条件下岩层移动规律研究较少．作者利用离散元法对山西某新建矿井厚黄土层条件下开采岩层移动规律进行了数值模拟，、研究了在厚黄土层载荷作用下覆岩的破断过程．
移动破坏规律，作者通过研究倾向主断面分阶段开采
上覆岩层动态破坏规律，对走向工作面的推进有重要参考价值．以20103工作面为原型，简化地质采矿条件，建立相应的数值分析模型．模型水平宽度840m，高度275．57m，煤层厚度6m，倾角Oo，覆岩上部黄土层厚度100m．计算采用平面应变模型，模型的两侧及底部均设置位移约束，顶部为自由边界，在自身重力作用下达到应力平衡状态．模型分阶段开采，累计推进距离30～270m(分12个阶段开采)，接续开采至288，
328，368
1地质采矿条件
山西某新建特大型矿井，设计生产能力600万如，开采Z煤层，煤层节理裂隙发育，普氏硬度系数约为1．5．本文以20103工作面为研究对象，工作面走向长2
087
m．计算模型设计如图1．
黄土层细砂岩、粉砂岩互层粉砂岩、泥岩互层
巾、细砂岩
泥草}、ifl--抖
m，倾向长288m，平均采厚6．0m，煤层倾角
图1
4。，基岩厚度约为170m，黄土层厚度约为100m．上覆岩层层厚见表l，煤层直接顶板主要为泥岩、粉砂岩，基本顶为中～细粒砂岩．底板主要为粉砂岩、泥岩．采
计算模型设计图
odelFig．1Designofcalculadonm
2．煤
煤方法为综放开采，全部垮落法管理顶板．2
2
数值模型建立
1计算模型
二维数值模拟主要研究地表沉陷主断面上覆岩
收稿日期：2010—01-20
基金项目：国家科技支撑项目(2007BAK28803)
22计算参数
模型采用矿区实测岩石力学参数．法向刚度系数、
切向刚度系数分别由以下公式求得：
k．=(Ea)／(2b)，
通信作者：戴华阳(19“一)，男，湖南湘阴人，教授，博士生导师，主要从事开采沉陷与。三下”采煤、大地测量学与测量工程、土地复垦研究B删Iil浊IilI岫yaDg@263。埘
k,=kJ[2(1+v)】．
式中，a,b分别为离散单元块体的长度和宽度；E、矽分别为岩石的弹性模量和泊松比
离散单元块体的划分，应参考岩层层理、节理和断层发育及分布情况，在垮落带和裂隙带内，块体的尺寸较tb；而弯曲带块体尺寸较大．各岩层岩性参数及块体尺寸如表l所示．图2为建立的离散元计算模型．
表1计算模型岩性参数及块体划分
Tab．1The
lithologicalparametersandblockdivisionofnumerical
calculationmodel
黄土
100800630．Ol0．3000．00215
0．300．010．004细眇潮砂岩182612201015．87
0．202
4．52042
l1．6315．876．600
粉砂、泥岩6425071268．200．1501．800448．91
8．20
3舢
中、细砂岩4426351059．750．1344．640
397．899．754．300泥岩、砂岩282519639．820．1432．350
436．829．824．3002’煤6l40063
1．900．1lO1．200
452．60
l舯O．800
粉砂岩、泥岩lO253040
20
15．87
0．150
1．800
44
8．9115．876．900
图2离散元数值计算模型图Fig．2
ModelofdiscretedementcMculafion
3岩层移动变形规律
随着工作面的推进，顶板垮落，形成垮落带，上覆岩层形成应力平衡拱；工作面接续推进使得覆岩形成的支撑结构周期性破坏，直至停采一段时期后形成稳定支撑体系．图3为推进距为30，50，70m时，覆岩平衡拱演化过程图．当工作面推进30m，采空区上方岩层并未垮落；推进至50m，采空区上方岩层开始垮落，以某一破断角形成近似梯形的垮落带；推进至70m，采空区上覆岩层垮落范围扩大，垮落高度增加．
图3平衡拱演化
Fig．3
Equilibriumarchdevelopm
ent如图4所示无拱垮落带的发展过程，工作面推进至90，110，130，150m时的垮落形态．推进至110m，垮落带高度接近黄土层底部，上部黄土层无法形成拱形支撑结构，垮落带中部基岩受上部黄土层载荷作用而压实，中部形成块体结构，并承担上部松
2
散体载荷．两侧基岩呈悬臂梁结构，悬臂梁在切眼侧较短，终止于垮落区边界；在推进侧较长，延伸至垮落区．
图4无拱垮落带演化过程Fig．4Archless
ca、，irlg
zone
development
在黄土层载荷作用下。随着开采宽度的增大，上
覆岩层形成2种类型的支撑体系：(1)开采宽度与基岩
厚度之比小于0．7，关键岩层不破坏，覆岩为有拱结构，垮落带呈梯形分布；(2)开采宽度与基岩厚度之比大于0．9，关键岩层破断，覆岩破坏呈无拱结构，垮落区两侧为悬臂梁结构，中部为块段支撑结构．
4覆岩应力与位移变化规律
4．1覆岩应力变化规律
煤层开采前，地层处于应力平衡状态．随着地下矿体采出，原有应力平衡被破坏，覆岩发生变形破坏，最终达到一个新的平衡状态．在采空区上方不同层位岩层设置应力、位移监测点，见图5，监测点由下而上距离煤层顶板的竖直距离分别为30，70，120，140，170，
210，250m．
1o
单位：m
寸
黄土层
。
甘o
细砂岩、粉秒岩百层”‘
尚
粉砂岩、泥岩互层岛
中、细砂岩导
泥岩、砂岩
暑
．监测点位置
图5监测点布置图
Fig．5Schem
aticdi理pmofmonitoringpomt
工作面推进过程中，不同层位岩层的竖向应力变
化如图6，开采前处于原岩状态，7个监测点应力为原岩应力．随着工作面的推进，在工作面越过监点前，工
作面前方竖向应力为增压趋势；在工作面越过监测点
后，岩层竖向应力减小，自上而下减小的幅度依次增大，工作面距监测点水平距离越近，岩层应力减小幅度越大．当无拱结构形成时，厚黄土层作用于块体，下部岩层竖向应力有所回升．
O
以DX伊4D×伊
邑R馏星酬巧D
×
舻
一200—150一100—50050100150200
工作面推进位置距监测点水平距离，m
图6不同层位岩层竖向应力随工作面推进变化
rig．6V
erticalstress
cll：mgeofdifferenthorizon
strata
withpanel
advancing
最大主应力不仅反应竖向应力，而且反应水平应力和切向应力的变化．图7为不同层位岩层随工作面推进最大主应力变化．在无拱结构形成后，基岩面层位最大主应力大幅增加，对比图6相同层位竖向应力的变化，说明该层位水平应力和切向应力在推进过程中变幅较大，起主导作用．
O
-2．oxl伊-4．0x106
苣-6．0xl伊
R
理一詹
8．0x106崩．1．0x10'
一1．2x10'
-200—150—100—50
0
50
100
150200
工作面推进位置距监测点水平距离，m
图7不同层位岩层最大主应力随工作面推进变化
Fig．7
Maxinlulnprincipal
stress
chal_lgeofdifferent
horizon
strata
、析dlpaneladvancing
4．2覆岩移动规律分析
煤层采出后引起覆岩的移动变形，竖直位移和水平位移是2种基本的移动形式，采空区的形成对上覆岩层移动变形的影响有一定规律．
工作面推进位置对上覆岩层竖向位移的影响如图8，随着工作面的推进，距离工作面近的岩层最早受到影响，且影响幅度从下至上依次减小．当无拱结构形成后，各层位岩层发生了剧烈的沉降，但影响时间由下而上依次增加．
工作面位置不同，层位岩层水平移动变化不同，如图9，随着工作面的开采，覆岩平衡拱存在时，黄土层向采空区方向移动，而基岩向采空区外侧移动；平衡
拱结构破坏，形成无拱结构，采空区上覆岩层水平移动变化最大为黄土层，其移动
向发生了变化，且移
动幅度也有很大增加．
工作面推进位置距监测点水平距离，m
图8不同层位岩层竖向位移随工作面推进变化
Hg．8Vertical
displacementchangeofdifferenthorizon
strata
with
paneladvancing
{
需镣睁*
工作面推进位置距监测点水平距离，m
图9不同层位岩层水平移动随工作面推进变化
Fig．9H
orizontalmovementch∞geofdifferenthorizon
stratawith
paneladvancing
5结论
1)厚黄土层载荷作用下覆岩变形破坏，随着工作面推进，开采宽度与基岩厚度之比小于0．7，覆岩破坏
呈有拱结构，垮落带呈梯形分布；开采宽度与基岩厚度之比大于0．9，覆岩破坏呈无拱分布，垮落区两侧为悬臂梁结构，中部为块体承压结构．
2)上覆岩层采动应力随着工作面推进发生变化，平衡拱形成时，采空区上部岩层竖向应力大幅减小，形成无
拱结构后，基岩面处水平应力和切向应力大幅增大
3)上覆岩层移动随关键岩层的破断而发生变化．平衡拱形成时，采空区上覆岩层的移动变形幅度较／b；无拱结构形成后，上覆岩层的移动变形值大幅度增加．参考文献：
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andTechnology，Beijin9100083，China；hina)Co．Ltd，Hejin043300，C
2．ConstructionHeadquartersofWangjialingColliery，HuajinoalCokingC
Abstract：Thedamechanizedcavingunderthickloessageofoverburdenrockhasspedificitybyfullymlayer．Damage
of
strata
ovementtrackofstrataunderthickloesslayerwereanalyzedbydiscreteelementnumericalsimmorphologyandmulatingminingof
a
iththepaneladvancingwererevealed．Twopanel．Therulesofstressanddisplacementw
were
structures
damagei．e．archstructuresandarchlessstructures
were
ard．Twoputforw
to
structures
ofstressanddisplacementofstrata
apparently
different．The
resultshave
all
important
significancethesafetyofthecolliery．
ords：thickloesslayer；lawsofoverburdenrockdamKeywent；archstructureandage；keylayer；discreteelem
arehlessstmcture
4
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