采动引起的地表危岩稳定性数值模拟研究

廖铸敏,杨 庆

（1.贵州省地质调查院，贵州贵阳550018；2.贵州省贵阳市修文县国土资源局，贵州贵阳550200）

采动引起的地表危岩稳定性数值模拟研究

廖铸敏*1,杨 庆2

（1.贵州省地质调查院，贵州贵阳550018；2.贵州省贵阳市修文县国土资源局，贵州贵阳550200）

针对贵州耳海煤矿地表危岩可能对其下部井筒及工业场地带来安全隐患，通过Phase2数值模拟对采动引起的地表危岩稳定性进行研究。根据第一强度准则和M-C准则对危岩应力进行定量分析，推导出安全的开采范围，利用房柱法开采剩下的部分资源，再对危岩的稳定性进行应力分析，确定出未开采部分和开采部分的宽度，进而在安全的前提下尽可能的将煤采出，为矿山的开采提供理论依据和参考。

地表危岩;Phase2;房柱法;危岩稳定性

1 工程慨况

耳海煤矿西南部有一危岩，其下方是井筒和工业场地所在地，如图1所示，采动引起的地表危岩若失稳将严重的威胁到工业场地的正常运转和安全，应该对采动引起的地表危岩稳定性进行研究。若为保护井筒及工业场地，按照正常开采，C8、C10、C12煤层在图1中从右往左应该推进多大的开采范围；同时危岩下部若不开采，则将导致大量煤炭资源无法采出，造成极大的浪费，为尽可能的采出煤炭，将以何种方式进行开采。针对上述问题，本论文研究目的是尽可能开采出危岩下部煤炭，找出影响煤矿地表危岩稳定性的主要因素，研究出控制地表危岩稳定的方法，避免开采引起的地表危岩地质灾害影响井筒及工业场地的正常运转及造成资源的浪费。

图1 工业场地及危岩地形情况图

2 数值模型的建立

根据现场地质资料，所取模型主要计算参数如表1所示。

根据图1建立数值模型，长、高分别为2947m、880m，模型划分21572个单元体网格，节点数10963个。模型计算采用mohr-coulomb准则，岩层材料的应力应变均在弹塑性范围内变化,模型底部及两边设为固定约束边界,上部为自由边界[1-3]，仅考虑自重应力产生的初始应力场，所建模型如图2所示。

3 数值模拟结果及分析

3.1 地表危岩的破坏模式分析

根据耳海煤矿剖面的数值模拟结果，本论文从应力情况方面来对采动引起的地表危岩稳定性进行分析研究。

根据第一强度准则[5]，岩体发生拉压破裂时许用应力计算公式为：

表1 模型主要计算参数

图2 有限元计算模型

式中：σu——材料的极限正应力，MPa;

n——安全因数。

由式（1）可求出各种材料许用应力[σ]，见表2。

表2 材料的许用应力值[σ]（MPa）

根据摩尔-库伦准则[5],岩体发生剪切破裂(或处于极限平衡)时最大主应力取值上限计算公式为:

式中：c——粘聚力，MPa；

φ——内摩擦角,（°）；

σ3——最小主应力，MPa。

由式（2）及表1可求出各种材料最大主应力的上限值σ1f，见表3。

表3 最大主应力的取值上限

3.2 煤层进行开采模拟结果分析

（1）开采范围的确定及一定开采范围下危岩的应力分布情况：通过Phase2进行数值模拟,改变开采范围与相应开采范围下主应力曲线中的最大值得到如图3所示的模拟结果。

图3 随着开采推进应力变化过程图

图3中其最左端自上往下第一条曲线为发生剪切破坏的极限应力σ1f；第二条是许用应力[σ]；第三条曲线、第四条曲线、最下面一条曲线分别为C8、C10、C12、C8、C10、C8煤层开采时稳定性较差区域的最大σ1随开采范围的变化情况，记为σ1，c8,c10,c12、σ1，c8,c10、σ1，c8。图中可以看出，在相同的开采范围下，煤层开采数越多，对地表稳定性较差区域应力的影响越大，故采动对地表危岩的稳定性影响就越显著；随着开采范围的增大，其最大主应力σ1也随着增大，当增大到一定程度时其σ1=[σ]，此时σ1远远小于σ1f，即危岩若失稳，首先是拉压破坏引起，此时还不会发生剪切破坏。当继续推进σ1＞[σ],则会发生拉压破坏，这对危岩稳定性的控制是极为不利的，故在开采推进到临界点σ1=[σ]时停采或者换种方法进行继续开采。考虑到本论文中研究煤层均要开采，故其推进至临界点1854.56m（759.44m未开采）时停采或换种方法进行开采，如图3所示。其图3临界点数值模拟主应力云图如图4所示。

图4 主应力图

由图4可知，煤壁附近矿压显现比较突出，出现应力集中现象，而在采动的影响下，其应力会不断地向外扩展，进而扩展到地面。本文选择B-C区域进行研究分析，此部分危岩的稳定性严重的影响到井筒及工业场地的安全。在采动的影响下，应力不断地向B-C区域靠近，致使应力不断向危岩扩展，当危岩的最大主应力σ1达到许用应力[σ]或岩体剪切破坏的极限应力σ1f时则危岩的稳定性较差，存在安全隐患，所以煤层开采过程中煤层开采范围和地表危岩应力均应不超过如图3所示临界点，从而使采动引起的地表危岩稳定性得到较好的控制。

图5 开采至1854.46m改用房柱法开采应力分布图

（2）房柱法继续进行开采：如图5所示，图最右侧为开采范围为1854.46m（759.44m未开采）时的煤壁，应力集中情况如图所示。在煤壁左侧采用留一段煤层不开采，然后在不开采煤层左侧进行开采一段煤层，采用房柱法开采对引起的B-C地表危岩稳定性的应力进行分析研究。

通过改变未开采部分所留尺寸，开采部分宽度控制在150m。其模拟结果如图6所示。未开采部分宽度小到一定程度时，危岩不仅会发生拉压破坏，而且还会发生剪切破坏，随着未开采部分宽度的增加，应力逐渐减少，当所留宽度为209.30m时σ1=[σ]，未开采部分所留尺寸不能过小，过小出现σ1＞[σ]，这对危岩的稳定性明显不利的。过大会对资源造成浪费。所以选择所留宽度为209.30m，如图6所示，209.30m及49.84m是未开采部分宽度，150m为开采部分宽度。

图6 未采段不同宽度下应力变化图

4 结论

（1）根据煤矿剖面结构，Phase2可以根据剖面实现对其进行实体建模，利用数值模拟，可以得出模型的应力分布情况及大小。

（2）通过稳定性相对较差的区域数值模拟云图及应力数值线图，分析其应力与开采范围的关系，得到其临界开采范围，使危岩稳定性得到控制。

（3）本论文在临界开采范围后改用房柱法进行开采，通过开采段宽度不变，改变未开采段的宽度，然后对危岩稳定性进行分析研究，可以在保证安全的前提下最大限度的采出煤炭。

[1]罗周全，刘晓明，吴亚斌，等.基于Surpac和Phase2耦合的采空区稳定性模拟分析［J］.辽宁工程技术大学学报:自然科学版，2008,27(4):485-488.

[2]冯锐敏，充填开采覆岩移动变形及矿压显现规律研究[D].北京:中国矿业大学,2013：100.

[3]倪彬，王少宾，刘晓明.基于Phase2的围岩稳定性分析的采矿方案优选[J].矿冶工程,2014,34(4):25-29.

[4]倪彬，张伟，刘晓明.基于Phase2的复杂采空区定性分析与评价[J].矿冶工程,2013,33(3):13-16.

[5]刘鸿文.材料力学[M].江苏:高等教育出版社，2004：244-250.

P642.1

A

1004-5716(2015)12-0004-04

2015-07-14

2014-07-15

企业、事业单位委托项目（H100470）；贵州省科学技术基金（No.2123068）。

廖铸敏（1988-），女（土族），贵州麻江人，助理工程师，现从事区域地质调查工作。