基于關鍵層理論的巖層移動模擬研究

由于巖石性質和礦物組成的不同，煤炭系地層形成了不同厚度和強度的多層次巖體。它通常分為表土層和基巖層。表土層主要由松散的沙子和土層組成，與基巖相比具有不同的變形和運動特征。一般來說，可以認為，它是一個整體運動，可以簡化為均勻分布的負荷，并用于基巖。基巖通常由不同厚度和軟度的巖石組成。其中，一個或多個堅硬的巖石在采礦準備過程中起著主要的控制作用。它們以某種結構形式承擔著上部巖石的重力，是巖漿巖的支撐，但它們的破碎和運動直接影響著巖漿巖的局部或表面所有巖石的運動，被稱為子層，后者被稱為主甲狀層。主甲狀層的主甲狀層可以不僅僅是一層，主甲狀層的主甲狀層可以是一層。關鍵層理論在礦區、巖石移動和地表沉降、采空氣用氣、磚瓦流動研究領域實現了有機統一。該領域在采礦準備、“iii”開采、底板突出等方面得到了應用。相似模擬實驗和計算機數值模擬是目前研究煤礦采場覆巖移動規律的重要方法.在巖層移動的相似材料模擬實驗中,尤其是在大比例模型實驗中,當基巖總厚度較大時,模型往往只鋪設到需要考察和研究的巖層范圍為止,其上部巖層(包括表土層)不再鋪設,而以均布載荷形式加在模型上邊界,所加載荷大小為未鋪設巖層重力.巖層移動數值模擬中,由于數值模擬軟件可運行單元數的限制或為了節約機時,通常采用與相似材料模擬實驗類似的簡化方法,將未模擬的巖層簡化為均布載荷加在模型上邊界.本文基于巖層控制關鍵層理論,對巖層移動的物理與數值模擬研究中將未模擬巖層代之以均布載荷加在模型上邊界的做法所存在的問題及應遵循的原則進行了探討.1鍵層地面為了研究模擬實驗中將上部未模擬巖層簡化為均布載荷存在的問題,設計了2臺相似材料模擬模型,采用平面應力模擬實驗臺進行了對比研究.模型的幾何相似比為1∶100,煤層采厚2.5m.模型1鋪設了全部基巖,覆巖中有2層關鍵層,由下向上依次稱為關鍵層1,關鍵層2;兩關鍵層的巖性一致,間距為30m.關鍵層1為亞關鍵層,其厚度為5m,距開采煤層20m;關鍵層2為主關鍵層,其厚度為10m.關鍵層2上部有5m基巖層和60m表土層.60m表土層(其重力相當于3個加載鐵塊)簡化為均布載荷加在模型上邊界.模型1中軟巖層巖性相同,其分層厚度為2～3m.模型2是模型1的簡化模型,是將模型1上部包括關鍵層2在內的厚20m的基巖(其重力相當于1個加載鐵塊)簡化為均布載荷與表土層載荷一起(共4個加載鐵塊)加在模型上邊界,其它條件與模型1一致.以關鍵層1的破斷步距為考察對象,對比分析模型1,2的實驗結果.圖1a,1b分別為隨煤層開挖,模型1,2關鍵層1初次破斷的情況.模型1在煤層開挖60m時,關鍵層1發生初次破斷,并導致其上覆直至關鍵層2以下的所有軟巖層同步破斷,在關鍵層2下出現了明顯離層.模型2在煤層開挖40m時,關鍵層1發生初次破斷.與模型1相比,模型2中關鍵層1的初次破斷距小20m,相差達33.3%.顯然,將上部包括關鍵層2在內的部分基巖簡化為均布載荷加在模型2上邊界的做法導致了模型2中關鍵層1的破斷距偏小.2數值模擬計算采用中國礦業大學“211”工程引進的兩種數值模擬軟件FLAC2D和UDEC2D對此進行了研究.2.1數值模型與數值結果分析UDEC2DV3.0軟件是二維離散元數值模擬軟件,適用于巖土工程中非連續體力學行為的計算機數值模擬.計算模型中塊體既可以是剛體也可以是變形體,提供了7種材料本構模型和5種節理本構模型.在內存足夠的條件下,該軟件可滿足各種大型工程的計算.設計了3個UDEC數值模型.模型1中基巖全部鋪設,覆巖中有2層關鍵層,關鍵層2為主關鍵層,其厚度是關鍵層1的2倍.關鍵層2上部有10m基巖和50m表土層.表土層簡化為均布載荷加在模型上邊界.模型中軟巖層的分層厚度為2～3m,關鍵層1下部開采區域內軟巖層的劃分如圖2a所示.數值模型中巖層力學參數取值見表1.模型2為模型1的簡化,是將模型1上部包括關鍵層2在內的40m基巖簡化為均布載荷與表土層載荷一起加在模型上邊界,其它條件與模型1一致,如圖2b所示.模型3是將模型1中厚20m的關鍵層2改為軟巖層,共8個分層,其它條件不變.設關鍵層與軟巖層的容重相等,則模型2也可視為模型3的簡化模型,即將模型3上部40m基巖(皆為軟巖)簡化為均布載荷與表土層載荷一起加在模型2上邊界.模型1簡化為模型2時,簡化為均布載荷的基巖中包含關鍵層(關鍵層2),而模型3簡化為模型2時,簡化為均布載荷的基巖中無關鍵層.采用Mohr-Coulomb塑性本構模型,在模擬中以拉破壞作為巖層破斷的斷別條件.當拉應力大于巖層抗拉強度時,UDEC2DV3.0軟件會自動判別巖層拉破壞的位置.仍以關鍵層1的破斷距作為考察對象對比分析模型1,2,3的計算結果.數值模擬結果表明,模型1開挖50m時關鍵層1發生初次破斷,而模型2開挖30m時關鍵層1就發生初次破斷.即與模型1相比,模型2關鍵層1的初次破斷距小20m,相差40%.與相似模擬實驗結果類似,在UDEC數值模擬中,將圖2a所示模型上部包括關鍵層2在內的部分基巖簡化為均布載荷導致了關鍵層1破斷距的失真.對于模型3,開挖30m時關鍵層1發生初次破斷,其破斷距與模型2的計算結果一致.可見,將關鍵層上部基巖簡化為均布載荷并不影響關鍵層1的破斷距.通過3個UDEC數值模型模擬結果的對比分析,可得如下結論:簡化為均布載荷的基巖段內包含關鍵層時,將導致模型中巖層破斷距偏小;而當被簡化為均布載荷的基巖段中不存在關鍵層時,不影響巖層破斷距.因此,包含關鍵層的基巖不能簡化為均布載荷,必須鋪設,只有不包含關鍵層的軟巖層可以簡化為均布載荷加在模型上邊界.2.2數值模型及幾何尺寸、巖性的分析FLAC2DV3.3是二維有限差分軟件,適用于巖土工程中邊界形狀復雜及非線性問題的數值模擬.它提供了9種材料的本構模型,并提供了界面單元用于模擬斷層、節理等.為了驗證UDEC數值模擬的上述結果是否在其它數值模擬中同樣存在,設計了2個FLAC數值計算模型.其中,模型1的幾何尺寸及巖性與圖2a所示的UDEC數值模型1一致,有2層關鍵層,分別在煤層上方距煤層3,6,10,20,27,33,39,45,65,68,71m處設置了11個界面單元摸擬巖層分層.模型2是模型1的簡化,是將上部包含關鍵層的40m基巖簡化為均布載荷加在模型上邊界,其幾何尺寸及巖性與圖2b所示的UDEC模型2一致.采用Mohr-Coulomb塑性本構模型,以拉破斷作為巖層破斷的判別依據,與UDEC2DV3.0軟件類似,FLAC2DV3.3軟件能自動判別并顯示巖層破斷位置.仍以關鍵層1的破斷距為考察對象.計算結果表明,模型1開挖65m時,關鍵層1初次破斷;而模型2開挖30m時,關鍵層1即破斷.可見,與模型1相比,模型2中關鍵層1的破斷距小35m,相差53.8%.顯然,對于FLAC數值模型,將包含關鍵層2在內的基巖簡化為均布載荷同樣會導致關鍵層1破斷距失真(偏小).3采空區載荷巖層破斷距主要取決于3方面的因素,即巖層厚度、巖層力學性質(如彈性模量、抗拉強度等)和載荷大小.在相似模擬實驗及UDEC,FLAC數值模擬計算中,模型1與模型2關鍵層1的巖層厚度與巖層力學性質是相同的,導致兩個模型關鍵層1破斷距相差較大的原因在于模型1,2中關鍵層1所受載荷不同.研究表明,關鍵層對其下部巖層的載荷分布及破斷有顯著影響.圖3a～3c分別為上述UDEC數值模型1～3中關鍵層1破斷前,不同開挖距時其上載荷的分布,FLAC模擬結果與此一致.由圖3a可見,1)模型1中關鍵層1上的載荷為非均勻分布,存在載荷集中與降低現象:靠采空區中部的載荷低于上覆巖層重力,而在采空區兩側一定范圍內,載荷大于上覆巖層重力.2)隨開挖尺寸增大,模型1中關鍵層1上的載荷是動態變化的,在采空區上方逐漸降低,在其兩側的集中程度逐漸增大.而由圖3b,3c可見,模型2,3中關鍵層1上的載荷隨開挖尺寸增大變化很小,基本呈均勻分布.對于模型1,關鍵層2上部巖層載荷主要由關鍵層2承擔;在采空區中部,隨著開挖尺寸增大,關鍵層1及其所控軟巖層與關鍵層2間離層,關鍵層2上部巖層向下傳遞至關鍵層1上的載荷越來越小,從而關鍵層1上的載荷呈現出圖3a所示動態變化與非均勻分布的特征.將包含關鍵層2在內的部分基巖簡化為均布載荷時,關鍵層1上的載荷隨開挖尺寸增大基本呈均勻分布,關鍵層1承擔了上部所有巖層的載荷,這與其實際承載情況不符,從而導致簡化模型中關鍵層1破斷距失真(偏小).對于UDEC數值模型3,關鍵層1上部皆為軟巖層(無關鍵層),承擔了上部所有巖層載荷,將其上部部分基巖簡化為均布載荷并沒有改變關鍵層1上的載荷,因此,簡化模型中關鍵層1的破斷距與原模型相同.關鍵層的存在引起了其下部巖層載荷分布的動態變化與非均勻分布,因此,在巖層移動的物理與數值模擬研究中,不能將包含關鍵層的巖層段簡化為均布載荷,否則將導致下部巖層載荷分布的改變和破斷距模擬結果的失真.只有最上一層關鍵層(即主關鍵層)上部的巖層可以簡化為均布載荷.包含關鍵層時,其等值載荷不可簡化為均布載荷,而應根據關鍵層位置及破斷特征(厚度、強度、破斷距)確定其等值載荷.在模型上部加設補償層的做法,盡管避免了上部被省略巖層的載荷以均布方式向下傳遞,但補償層的位置、厚度及強度的確定沒有同上部被簡化巖層中關鍵層相聯系,仍然會導致下部巖體承受載荷的失真.4基于“關鍵層”的地層載荷在巖層移動的物理與數值模擬研究中,通常將部分巖層簡化為均布載荷加在模型上邊界.研究表明,關鍵層的存在引起了其下部巖層載荷分布的動態變化與非均勻分布,若簡化為均布載荷的巖層段包含關鍵層,將引起巖層載荷分布特征的改變,從而導致巖層破斷距模擬結果的嚴重失真,(據模擬實驗和