基于FLAC3D的水平分层放顶煤开采覆岩移动规律研究

董良志 刘吉升

上海大屯能源股份有限公司孔庄煤矿江苏沛县221600摘要 放顶煤开采是一个破坏原岩平衡状态的行为，这一行为将引起周围岩体的移动，煤层开采过程中的覆岩移动规律是煤矿开采地压控制的基础，准确判定煤层开采后上覆岩层的变形移动规律对于顶煤松动预裂技术优化和矿压防治工作意义重大，本文将岩土工程界运用广泛的数值模拟软件FLAC3D 用于模拟煤层开采引起上覆岩体的移动，通过计算机模拟得到了在采场中随工作面推进的上覆岩体移动规律。

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关键词 FLAC3D；覆岩；规律

1 概述

放顶煤开采是一个破坏原岩平衡状态的行为，这一行为将引起周围岩体的移动，放顶煤的开采将导致围岩移动变形、岩层卸压使得上部岩层地应力降低、裂隙发育，一方面使煤层透气性大幅度提高，为被保护层的卸压瓦斯抽采提供了可能，另一方面削弱了煤与瓦斯突出的潜能，在对煤层开采工程以及岩石工程等开挖工程问题进行研究时，人们普遍采用现场试验、数值模拟以及相似材料模型相结合的研究方法，其中采用计算机数值模拟研究方法能较全面的分析煤层开挖过程中上覆岩层的移动变形、应力随煤层开采的时空变化规律。放顶煤开采过程中会导致煤岩层顶底板和上覆岩层的移动变形，在顶底板一定范围内造成地应力降低，研究煤层开采上覆岩层的移动变形规律有助于进一步研究煤层压力、渗透性变化及顶煤松动预裂技术优化提供基础。

2 FLAC3D 简介

FLAC 起源于流体动力学，是快速拉格朗日差分分析的简称，该分析方法最早由用于固体力学领域，FLAC3D 程序是快速拉格朗日差分分析方法的三维应用，是FLAC 模拟软件向三维空间的扩展。目前已经成为采矿工程等岩石力学计算中的最重要数值方法之一，该程序软件在边坡稳定性评价、动力学、地下洞室施工设计、地质构造及块体运动学、巷道支护设计及评价、隧道工程、河谷演化进程再现、矿山工程等多个领域研究中得到广泛应用，特别适合求解岩土力学工程中非线性的大变形问题。

3 煤层赋存情况

孔庄煤矿井田内主要含煤地层有太原组、山西组及下石盒子组，含煤地层总厚度约487.37m，含煤20 多层，煤层平均总厚度约15.79m，含煤系为3.24%，其中可采或局部可采煤层5 层（7、7 下、8、17、21）总厚度约9.79m，主要煤层含煤系数为2.01%。井田内的主要可采煤层为7 煤层和8 煤层，本矿井尚未开采17、21 两层煤。

7 号煤层位于山西组中下部，上距下石盒子组底部分界砂岩约72m，下距8 煤4.17耀40.18m 之间，西翼岩浆岩侵入严重，煤层两极厚度为2.00耀6.52m，一般厚度为4.54m，7 煤结构较简单，只有少数工作面煤层中有夹矸，夹矸厚0.40耀1.40m，另外在7251 工作面出现了面积为60000m2 含矸区域，夹矸最大厚度1.20m，夹矸将煤层分为上3.70m，下为0.80m，夹矸岩性多为砂质泥岩、细砂岩。如图1 所示：

目前7# 煤层采用走向长壁后退式综采放顶煤采煤方法，其中机采2.5m，放顶煤层厚度2.3m，由于顶板处煤层层理、裂隙较发育，易破碎垮落，局部揭露煤层底板泥岩，层理、节理较发育，泥质胶结，稳定性差，为防止冒顶事故发生，需要对放顶过程中的上覆岩层移动变形规律进行研究，以便为开采设计提供科学依据。现采用数值模拟研究的方法研究走向长壁后退式综采放顶煤采煤时对上覆岩体的影响。

4 模拟模型的建立

4.1 模型模拟参数选取本数值模拟试验建立工作面沿走向模型，通过数值模拟计算，从理论上研究放顶煤层开采对上覆煤岩体移动变形影响作用。

FLAC3D 数值模拟软件中包含了11 种材料本构模型，其中包括七种塑性模型和三种弹性材料模型以及一种空单元模型，岩石工程界常用的摩尔-库伦模型就属于七种塑性模型中的一种，针对开采保护层的物理模型，我们采用摩尔-库伦模型。

考虑到使用摩尔-库伦模型时剪切模量、剪胀角、密度、粘聚力、体积模量、摩擦角等

是摩尔-库伦模型所需输入的参数，该模型的破坏包络线对应于摩尔-库伦判据加上拉伸分离点。由于本次模拟研究研究具有一般性，目的在于得到各个因素对应力变化的影响情况，所以本次数值模拟将所需的参数取实测的平均值，各个参数取值如表1：

4.2 模拟区域范围确定一般来说煤层开采后顶板覆岩移动远大于底板岩层移动，本文主要研究煤层放顶开采后上覆煤岩移动规律。考虑到煤层、顶板及底板三者之间的变形协调规律以及煤层采出后在包括顶底板在内的围岩原始应力要发生变化、产生变形、移动乃至破坏，其波及范围往往很大，但是按照圣维南原理，其影响范围仍有一定的限度。为最大限度模拟本区域煤层开采后的上覆岩层移动变形规律，模拟范围的确定是一个难点，模拟区域过小往往不能准确的再现开挖工程中周围岩体的移动、变形、破坏规律，模拟区域过大则计算时间长、工作量大。本次数值模拟模型的范围：煤层顶板以上3.9m 砂质泥岩外加30m 的间接顶板，煤层底板以下2.5 砂质泥岩外加30m 的间接底板以及4.65m 厚的煤层，考察停采线和开切眼各向外扩展50m 作为模型的左、右边界，倾向模型的上、下、左、右边界取法同走向模型。倾向模型和走向模型都采用类似的约束边界条件，煤层边界以上的岩层作为外载荷施加在模型的上边界上，其他方向采用应力边界条件。

4.3 模拟网格的划分煤层在放顶开采后所导致的上覆煤岩移动、破坏是一个渐进的演变过程，随着采空区范围的不断扩大，应力的不断调整而发展变化的，必须通过对开采过程进行数值模拟才能够使之转化成实际的动态问题来掌握其发生、发展演化史。据此结合工作面的推进进度，将走向模型分解成一连串的4 个模型分别模拟开采10m，30m，50m，100m 进行分步开采。

接着要将网格离散，网格的离散原则上是划分得越细越好，但是由于计算机容量和计算速度的限制，不可能将网格划分得过细。本次模拟试验研究将走向、倾向模型均划分成132800 个单元，同时考虑到边界效应，网格划分采用等间距与不等间距相结合。

5 上覆岩体位移变化规律模拟

通过对上述模型进行煤层的开挖模型模拟，分别模拟了煤层开采的工作面推进10m、30m、50m、100m 时上覆岩体的竖向的移动变形规律，模拟结果如图2~5 所示。

6 模拟结果分析

图6 即为煤层工作面上覆岩体观测线垂直移动量随开采长度的变化规律图，当煤层开采的工作面推进到30m 时，采空区上部观测线移动量左右对称，最大向下移动量为11.8mm，工作面煤柱边沿下部观测线未出现下移，基本呈倒V 字形。

随着工作面的进一步推进，采空区越来越大，设置在上覆岩层中的观测线移动量也相应增加，移动量向工作面侧偏斜，由左右对称逐渐向非对称转移，而且随着工作面的推进，下移量由小变大，在煤柱边沿下部也逐渐出现了向下移动变形的状况，当煤层工作面开采到100m 时，观测线最大下移量为89.0mm。

7 结论及下一步工作

通过数值模拟得到采场中随工作面推进的上覆岩体移动规律，工作面推进后，采空区上部岩层随之向下移动，且移动呈左右对称，基本呈倒V 字形，煤柱底板侧几乎不移动；随着推进距离加大,上部岩层移动量加大，且底板侧移动量大于顶板侧,移动中心整体向底板侧偏移。本次模拟的数据量不够大，下一步一方面要以10m 为一个单元详细对比分析上部岩层随推进距离影响变化量，计算得到顶板最活跃范围；另一方面，将模拟推进距离增大到500m，计算得到具体推进多少米后覆岩不再移动，重新稳定达到平衡，从而指导生产。

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参考文献

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[2]彭文斌.FLAC 3D 实用教程[M].北京，机械工业出版社，2008:110.

[3]何学秋.含瓦斯煤岩流变动力学[M].徐州:中国矿业大学出版社，1995.

[4]蒋承林.煤与瓦斯突出的球壳失稳机理及防治技术[M].徐州:中国矿业大学出版社，1998.

[5]刘宝安.下保护层开采上覆煤岩变形与卸压瓦斯抽采研究[D].合肥：安徽理工大学，2006.

作者简介 董良志(1982-)，江苏沛县人，本科学历，2013 年1 月毕业于中国矿业大学采矿工程专业，助理工程师，历任上海大屯能源股份有限公司孔庄煤矿技术员等职务，从事采掘技术管理工作。