基于RFPA—Strata的吳四圪堵礦巖層移動(dòng)數(shù)值模擬

劉俊萍

摘 要：利用RFPA-Strata巖石移動(dòng)分析系統(tǒng)軟件分析吳四圪堵礦綜放工作面開(kāi)采過(guò)程中煤巖層移動(dòng)和頂煤垮落規(guī)律，通過(guò)RFPA軟件數(shù)值模擬反演出該礦的頂煤冒落情況，歸納出了頂板煤層垮落規(guī)律，對(duì)煤礦的安全開(kāi)采提供了重要的保證。

關(guān)鍵詞：巖層移動(dòng)；數(shù)值模擬；垮落規(guī)律

1 引言

吳四圪堵煤礦是一座年產(chǎn)240萬(wàn)噸的大型現(xiàn)代化礦井，可采煤層為6#煤層，平均埋深在270m左右，煤層為松軟煤層，層理、節(jié)理裂隙發(fā)育。頂板泥巖巖層強(qiáng)度較低，上部煤層冒落后，泥巖層隨之冒落；為了提高礦井的現(xiàn)代化水平，結(jié)合區(qū)域內(nèi)煤層覆存特點(diǎn)，吳四圪堵煤礦采用綜采放頂煤的回采工藝。由于該礦對(duì)其工作面開(kāi)采過(guò)程中的圍巖移動(dòng)規(guī)律不是很了解，因此，從數(shù)值模擬的角度，運(yùn)用RFPA-Strata探索其特有地質(zhì)條件下綜放首采工作面巖層移動(dòng)和頂煤垮落規(guī)律為保證工作面高效安全生產(chǎn)具有重要現(xiàn)實(shí)的意義。

2 巖石移動(dòng)過(guò)程分析RFPA-Strata系統(tǒng)簡(jiǎn)介

RFPA-Strata主要是面向巖土工程應(yīng)用分析，可針對(duì)地下工程誘發(fā)的地表沉陷、巖層移動(dòng)、巷道破壞、頂板冒落等工程災(zāi)害展開(kāi)應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)及聲發(fā)射模式（微震）的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。[1]RFPA-Strata分析問(wèn)題的流程如圖1所示：

圖1 RFPA-Strata分析問(wèn)題的流程[2]

3 數(shù)值模擬方案設(shè)計(jì)

3.1 模擬條件

根據(jù)吳四圪堵礦煤層的賦存條件建立基本數(shù)值模型，設(shè)定有關(guān)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。數(shù)值模型采用平面應(yīng)變分析，盡量減小邊界情況的影響，模型尺寸水平方向設(shè)為100m，垂直方向50m，劃分有限元單元數(shù)為：200×100個(gè)單元，模型與實(shí)體的比例為1：1000。本模型共分5層不同性質(zhì)的巖層對(duì)吳四圪堵礦巖層移動(dòng)及頂煤垮落規(guī)律進(jìn)行模擬。巖層模型參數(shù)如表1所示。

表1 巖層模型參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬計(jì)算

利用RFPA-Strata中的分步開(kāi)挖功能，開(kāi)挖步距為5m，開(kāi)挖10步，共開(kāi)挖50m，割煤高度3m，深度4.8m，相當(dāng)于實(shí)際工作面1天的推進(jìn)度。數(shù)值模型建立之后，在計(jì)算前對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、參數(shù)賦值、邊界條件和控制條件設(shè)置，然后進(jìn)行開(kāi)挖工作。每開(kāi)挖一步，表示在工作面采一次煤，模型開(kāi)挖就是模擬采煤的過(guò)程。數(shù)值模型如圖2所示。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果

當(dāng)煤層從開(kāi)切眼開(kāi)采后，煤層頂板隨工作面不斷向前推進(jìn)，處于開(kāi)切眼上方煤巖體開(kāi)始破裂并逐漸向上延伸，如圖3模擬頂煤垮落規(guī)律示意圖。

圖3 模擬頂煤垮落規(guī)律示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）利用RFPA對(duì)巖石移動(dòng)及頂煤垮落規(guī)律進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)，分析頂板變形破壞，具有較強(qiáng)的通用性、方便靈活等特點(diǎn)，為煤礦的安全生產(chǎn)提供重要的依據(jù)。

（2）在模擬過(guò)程中，當(dāng)工作面推進(jìn)19.2m時(shí)，頂煤開(kāi)始破裂并逐漸向上延伸，當(dāng)工作面推進(jìn)24m頂煤出現(xiàn)初次垮落，垮落高度4m。

（3）當(dāng)工作面推進(jìn)28.8m時(shí)，采空區(qū)頂煤大面積垮落，垮落高度7～9m，9m厚煤層基本全部垮落，工作面后方頂煤隨采隨冒，冒高5m，煤層垮落角度開(kāi)切眼側(cè)47°，工作面煤壁側(cè)45°。

參考文獻(xiàn)

[1]唐春安，趙文.巖石破裂全過(guò)程分析軟件系統(tǒng)川甲R(shí)FPA2D[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1997，16（5）.

[2]唐春安，王述紅，傅宇方.巖石破裂過(guò)程數(shù)值試臉[M].北京：科學(xué)出版社，2003.