基于PFC3D隧道采空區(qū)上覆巖層破壞機(jī)理研究

李 偉

(中鐵十九局集團(tuán)礦業(yè)工程有限公司 北京 100176)

1 引言

胡晉林等[1]采用相似模擬、理論分析以及現(xiàn)場試驗(yàn)多種方法綜合研究工作面回采期間覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律，得出了高位鉆孔的合理布置層位位置，能夠合理地保證鉆孔成孔率以及高效抽采效率；秦喜文[2]采用相似模擬方法設(shè)計(jì)開采方案，反演3＃煤層上分層采空區(qū)圍巖及煤柱的穩(wěn)定特征；邸晟鈞等[3]采用COMSOL數(shù)值模擬軟件研究采煤過程中上覆巖層覆巖破壞特征、采動覆巖應(yīng)力演化規(guī)律；曹鵬[4]采用理論分析、數(shù)值模擬、相似模擬和現(xiàn)場驗(yàn)證等手段對采空區(qū)下工作面覆巖破斷規(guī)律及其支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行研究，得出合理煤層間距及上部煤層開采后對層間巖層的破壞情況。根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者的眾多研究，數(shù)值模擬方法對采空區(qū)上覆巖層破壞機(jī)理進(jìn)行研究較為準(zhǔn)確且合理[5－8]，因此，本文針對牡佳客專青龍山小煤窯采空區(qū)情況，采用PFC3D數(shù)值模擬的方法，對其上覆巖層破壞情況進(jìn)行研究，通過開采期間垮落情況對采空區(qū)上覆巖層裂隙及破壞機(jī)理進(jìn)行分析，得出較為合理的采空區(qū)上覆巖層破壞情況[9－11]。

2 工程概況及數(shù)值模型

2.1 工程概況

牡佳客專青龍山小煤窯采空區(qū)位于新勝1、2號隧道之間，工程內(nèi)容為DK142＋850～DK143＋300段采空區(qū)地基處理，主要進(jìn)行采空區(qū)的鉆孔注漿加固及治理效果檢測。采空區(qū)位于新勝1號隧道與新勝2號隧道之間，線路以填挖相間通過，地貌為丘陵緩坡，地形坡度5°～15°，地形起伏不大，大部分為林地。針對小煤窯分布情況采用激發(fā)極化法對小窯采空區(qū)進(jìn)行了探測，根據(jù)物探結(jié)果對采空異常區(qū)進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。從驗(yàn)證結(jié)果看，路塹范圍內(nèi)不同深度分布多層小煤窯采空區(qū)，回采率60%，目前已閉坑，因自然塌落由泥質(zhì)砂巖、砂巖碎塊石充填。本文通過數(shù)值模擬的方法對其上覆巖層破壞機(jī)理進(jìn)行研究，得出上覆巖層破壞情況，以解決采空區(qū)地基處理問題。

2.2 宏細(xì)觀參數(shù)選取

使用PFC3D顆粒流離散元軟件創(chuàng)建模型進(jìn)行模擬，正確選擇細(xì)觀參數(shù)最為關(guān)鍵。PFC從顆粒細(xì)觀角度進(jìn)行模擬，從模型細(xì)觀和實(shí)際巖層力學(xué)性質(zhì)對比及線性回歸分析，可得出實(shí)際巖層參數(shù)與模型中細(xì)觀參數(shù)的宏細(xì)觀轉(zhuǎn)化經(jīng)驗(yàn)公式，通過經(jīng)驗(yàn)公式可以計(jì)算得出細(xì)觀參數(shù)。采用模擬與實(shí)際巖層參數(shù)相關(guān)性分析，通過對煤體進(jìn)行340組單軸壓縮和抗拉試驗(yàn)，總結(jié)出相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，并使用PFC模擬軟件對其進(jìn)行驗(yàn)證。

經(jīng)過試驗(yàn)所得大量數(shù)據(jù)并擬合得出的宏、細(xì)觀經(jīng)驗(yàn)公式如下:

彈性模量:

泊松比:

單軸抗壓強(qiáng)度回歸性分析公式:

抗拉強(qiáng)度回歸性分析公式:

式中參數(shù)含義如表1所示。

表1 公式字母含義

根據(jù)小煤窯采空區(qū)實(shí)際地質(zhì)資料，模型宏細(xì)觀參數(shù)轉(zhuǎn)換見表2。

表2 宏細(xì)觀參數(shù)轉(zhuǎn)換

2.3 覆巖破壞數(shù)值模型構(gòu)建

根據(jù)小煤窯采空區(qū)煤巖層地質(zhì)條件，運(yùn)用PFC3D軟件進(jìn)行全方位模擬。數(shù)值模型在X、Y、Z方向尺寸為(400×30×360)m，共分為21層。由于煤層平均傾角均為45°，則視為傾斜煤層，煤層傾角較大。上部邊界為自由邊界，左右兩側(cè)邊界固定，粒子只能在垂直方向移動，下邊界為封閉邊界，如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型

模型中顆粒大小為0.5～0.7 m，比例尺寸較為合理。為了模擬采空區(qū)的發(fā)生，參照小煤窯的實(shí)際開采狀況依次進(jìn)行挖掘，每次挖掘長度為40 m，模型分為5次開采。循環(huán)直至裂縫不再發(fā)生，然后進(jìn)行下一次挖掘，以此重復(fù)。

3 PFC模擬結(jié)果分析

3.1 覆巖破壞高度垮落規(guī)律研究

PFC3D垮落模擬結(jié)果如圖2所示。隨著工作面的開采，上部巖層內(nèi)部裂縫增加，向周圍持續(xù)擴(kuò)展，如裂縫在一定程度上不斷積蓄，會引起巖石層的剝離現(xiàn)象，上層的巖石層彎曲下沉，如圖2a所示。另外，在煤層開采過程中，采空區(qū)兩側(cè)的煤炭體出現(xiàn)應(yīng)力集中，底板也會產(chǎn)生裂隙。隨著工作面推進(jìn)，裂隙逐步向下發(fā)散，巖石層底板破壞會破壞底板的完整性，進(jìn)而影響下層煤層的工作面的正常安全開采。

圖2 PFC模擬垮落結(jié)果

當(dāng)工作面推進(jìn)到60 m時，直接頂垮落，由于工作面擴(kuò)大了采掘范圍，采空區(qū)周圍的煤體支撐壓力過大，底板產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，煤層底板發(fā)生底鼓現(xiàn)象，出現(xiàn)塑性破壞，導(dǎo)致底板產(chǎn)生較多淺部裂隙。隨著深度增大，基巖負(fù)荷能力增強(qiáng)，底板裂縫的發(fā)生數(shù)量減少，此時裂縫數(shù)達(dá)到426。這是由于應(yīng)力集中和巖壁覆蓋壓力的作用，暴露在巷道內(nèi)的底板破碎度高。

工作面推進(jìn)到100 m，工作面的基本頂也開始發(fā)生崩潰現(xiàn)象，與直接頂崩潰時底板的裂縫分布相似。工作面底板附近有應(yīng)力集中的擠壓作用和由于覆巖的崩潰而產(chǎn)生的破壞作用，裂縫分布在表層，少部分分布在下層。但此時在底板下方出現(xiàn)更多相對獨(dú)立的非貫通間隙，如圖2b所示。隨著工作面的推進(jìn)，裂紋分布范圍變大。此時，裂縫數(shù)達(dá)到1 192，所增加的裂紋主要是由于底板的破碎而產(chǎn)生的裂紋，且在塌陷時產(chǎn)生的穿透裂紋的數(shù)量也很少。當(dāng)工作面推進(jìn)到140 m時，工作面會發(fā)生第二次基本頂崩潰。由圖2c可知，底板上部破壞強(qiáng)烈，裂紋明顯增加，但襯底中部也出現(xiàn)部分裂紋，工作面的推進(jìn)范圍與裂紋分布范圍幾乎一致。采空區(qū)下方裂縫不多，集中在接近作業(yè)面的方向上，少部分向上和向下拓展，并未產(chǎn)生貫通，此時夾矸內(nèi)的裂隙數(shù)達(dá)到2 158，由裂隙圖可知夾矸貫通裂隙因基本頂周期性垮落未對其產(chǎn)生影響，并未產(chǎn)生大范圍貫通裂隙。

當(dāng)工作面推進(jìn)到180 m時，工作面上方關(guān)鍵層發(fā)生斷裂，工作面上覆巖層發(fā)生大面積垮落，工作面應(yīng)力條件穩(wěn)定狀態(tài)被打破。由于工作面超前支撐壓力的作用，工作面底板上附近的覆巖和底板上部嚴(yán)重破壞，產(chǎn)生多條裂縫，由于應(yīng)力集中作用和覆巖的崩潰沖擊力的作用，中部和下部底板產(chǎn)生許多裂縫，開采過程中發(fā)展的裂縫產(chǎn)生貫通效果，擴(kuò)展到作業(yè)前部及低位煤層，工作面基板被破壞，產(chǎn)生更多的通道。如圖2d所示，裂縫數(shù)達(dá)到3 420，凹陷內(nèi)的裂縫相互貫通，且以大面積出現(xiàn)。裂紋生長速度達(dá)到最高，因此在重復(fù)采動影響下多層采空區(qū)漏風(fēng)通道會在上層煤關(guān)鍵層垮落期間產(chǎn)生。模擬結(jié)果產(chǎn)生的裂隙數(shù)目統(tǒng)計(jì)如圖3所示。

3.2 覆巖破壞高度孔隙率變化規(guī)律研究

由于采空區(qū)相較于煤層較為特殊，需要對采空區(qū)進(jìn)行近似化處理，將采空區(qū)近似于1個由多孔介質(zhì)組成的空間，計(jì)算出相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)，通過宏細(xì)觀參數(shù)轉(zhuǎn)化，建立對應(yīng)的模型進(jìn)行分析。在分析過程中，采空區(qū)力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確性將直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度。PFC模擬在模型建立初期，統(tǒng)一設(shè)置孔隙率為0.2，在對每層巖層及煤層賦值后，整體孔隙率產(chǎn)生變化，接近于真實(shí)煤層情況，因此具有可研究性。采空區(qū)裂隙研究中孔隙率變化是其中極重要部分，以此可分析上覆巖層垮落規(guī)律，因此需分析隨著工作面推進(jìn)采空區(qū)孔隙率變化動態(tài)分布特點(diǎn)。

基于PFC3D軟件的特點(diǎn)，利用其特殊的測量圓運(yùn)動跟蹤模型的內(nèi)部孔隙率的變化，以更好地研究開采過程中孔隙度的動態(tài)演化規(guī)律，測量圓的設(shè)定如圖4所示。測量圓的粒徑均為5 m，測量圓布置長為400 m，寬為30 m，高為360 m。測量圓設(shè)置40層，每層設(shè)置40個測量圓，共計(jì)64 000個。測量圓始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，其上、下、前、后、左、右6個邊界不能移動。當(dāng)粒子在垂直方向上移動時，粒子通過各層測量圓，測量圓根據(jù)粒子的移動來監(jiān)測模型變形情況及孔隙率變化規(guī)律。

圖4 測量圓設(shè)置

開采過程中，從上覆巖層垮落情況可以得出工作面開采影響整個模型孔隙率的變化情況。而分段開采屬于動態(tài)過程，孔隙率的變化規(guī)律也將呈動態(tài)變化，因此根據(jù)現(xiàn)場工作面作業(yè)規(guī)程，選取開采40 m時孔隙率變化規(guī)律進(jìn)行分析，并對數(shù)值模型做切片處理，選取1?！?＃切面的數(shù)據(jù)，切面設(shè)置如圖5所示。每個切面范圍長400 m、高360 m、寬5 m，共1 600個測量圓(40行×40列)。

圖5 切面設(shè)置

挖掘初期，工作面前進(jìn)40 m，由于此時開采寬度較小，直接頂板尚未破裂，工作面圍巖孔隙度變化不大，僅在工作面周圍小面積存在，孔隙率變化率如圖6a所示。當(dāng)工作面前進(jìn)60 m時，直接頂板坍塌，工作面上方孔隙度繼續(xù)增大。但由于工作面開采長度小，所以除去直接頂板，上層涂層的多孔性沒有很大變化，工作面周圍的孔隙率為逆梯形分布。當(dāng)工作面推進(jìn)到100 m時，基本頂發(fā)生破碎和倒塌，整個工作面的倒塌高度將達(dá)到25 m左右。由于上覆地層的破裂塌陷和地層支護(hù)作用，采空區(qū)會出現(xiàn)孔隙度較大的區(qū)域。工作面上方、后方和附近區(qū)域如圖6b所示。如果將工作面推到120 m左右，上部會發(fā)生二次破損，上部的巖石層會周期性崩壞。此時工作面高度不變，在采空區(qū)上方孔隙率大的區(qū)域隨著工作面的推進(jìn)而擴(kuò)大。采空區(qū)后面的區(qū)域因采空區(qū)的逐漸推進(jìn)而逐漸推進(jìn)。上覆地層逐漸壓縮，孔隙率逐漸降低，整個區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)逐漸穩(wěn)定。工作面附近的區(qū)域隨時間推移而被新的覆蓋巖層所支撐，而且該區(qū)域附近的間隙率繼續(xù)處于大范圍。

工作面推進(jìn)到140 m后，工作面上方發(fā)揮支持作用的關(guān)鍵層被打破，上部巖石層大規(guī)模崩潰，工作面崩潰高度從25 m上升到58 m左右，孔隙率分布極端。大的變化類似于直接頂崩潰時的孔隙率分布。此時，孔隙率大的區(qū)域主要分布在工作面的上方、后方及附近。但是不同的是，上蓋的巖石層有破裂保護(hù)作用，開采空間上部孔隙區(qū)更為細(xì)長。采空區(qū)后部區(qū)域孔隙率較大，但其位置變高，相當(dāng)于巖石層被壓碎后形成新的采空區(qū)的支持區(qū)域。但是，由于工作面處于推進(jìn)狀態(tài)，工作面后方采集區(qū)域上方的孔隙率依然很大，如圖6c所示。

圖6 孔隙率隨推進(jìn)進(jìn)度動態(tài)變化云圖

工作面推進(jìn)到180 m后結(jié)束開采，開采空間內(nèi)孔隙率分布范圍并未產(chǎn)生較大變化，中后方采空區(qū)域被連續(xù)壓縮，孔隙率有所下降，隨著作業(yè)面推進(jìn)，上方區(qū)域孔隙分布被推進(jìn)不斷向前發(fā)展，保持細(xì)長形狀，開采區(qū)域上方、后方及工作面周圍孔隙率較大，如圖6d所示。

4 結(jié)論

(1)在工作面煤層推進(jìn)過程中，上覆巖層由于應(yīng)力集中作用和覆巖崩塌引起的沖擊作用，工作面底板產(chǎn)生更多裂縫，伴隨積累和發(fā)展，形成貫通性的裂紋通道，直至底板裂紋區(qū)域的深度達(dá)到15 m。78%的裂縫分布在采空區(qū)域20 m的邊界范圍內(nèi)，該區(qū)域的巖石層受到較大的拉伸應(yīng)力作用，其變形及破壞程度較高。靠近采空區(qū)內(nèi)部，上面的巖石層崩塌。

(2)在工作面推進(jìn)過程中，工作面上方、后方以及工作面附近孔隙率較大，隨著工作面推進(jìn)，提高工作面后方的孔隙率大的領(lǐng)域，使工作面的推進(jìn)區(qū)域上方孔隙率大的領(lǐng)域不斷向前發(fā)展，形成細(xì)長形狀，由于上覆巖層的支承作用，兩巷附近的孔隙率仍會保持較大值。底板裂隙分布區(qū)域與采空區(qū)孔隙率分布區(qū)域有很高的規(guī)律類似性。