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1、基于RFPA2D下覆岩采动裂隙发育特征分析与应用 摘 要：为了更好地了解顶板岩体的工程地质特征，对探讨区8煤层顶板岩石沉积环境进行了综合分析，提出探讨区8煤层为一套高建设性浅水三角洲沉积体系及沉积相序，并利用全过程裂开软件RFPA2D对8煤层顶板开采下覆岩采动裂隙发育特征进行了模拟，这不仅为采区的初步设计供应了参考，也为后期巷道的合理设计支护供应了依据。 关键词：浅水三角洲；数值模拟；采动裂隙；顶板稳定性 1 序言 地下煤岩体被采动后，岩体四周的平衡应力状态被破坏，致使其发生变形甚至破坏。这些改变干脆或间接的导致了顶板垮塌、煤与瓦斯突出、冲击地压、矿井透水、突水等问题的发生1。其中顶板事故的发
2、生频率较高，约占事故总起数的54.42%2。这些问题对煤矿平安生产造成了很大的障碍，给我国人民的生产生活造成了很大损失。 芦岭煤矿位于安徽省宿州市东南20余公里处，随着经济的不断发展和浅层煤炭资源的渐渐枯竭，其开采深度也由浅水平向深水平延长过度，煤层顶板问题的日趋严峻干脆困扰着该矿的正常生产。该矿8煤层位于下石盒子组下部，上距7煤层约20m，下距9煤层约3.5m，该段岩石主要为砂岩、粉砂岩、泥岩和煤。通过分析钻孔资料与生产资料知：该矿8煤层的干脆顶板以泥岩为主，局部含细砂岩、粉砂岩、中砂岩及炭质泥岩，伪顶以砂质泥岩或泥岩为主，呈薄层状，局部含少量细砂岩，植物根茎化石碎片发育。 为了更加清晰的了
3、解芦岭煤矿8煤层顶板工程地质特征，确保实行合理的顶板管理方法和科学的支护选型，在对沉积环境充分分析的基础上，对在采动效应下工作面顶板冒裂进行了数值模拟。这对于揭示顶板稳定性和相关工程力学问题的内在机制具有理论和实际应用意义，也为煤炭开采中顶板岩层限制供应了理论和试验依据3。 2 沉积环境分析 晚石炭世，华北含煤沉积盆地南带一度频繁地发生海进海退作用，沉积了一套含大量海相动物化石的浅海碳酸盐、潮坪及煤层互层的海陆交相互沉积。这很符合浅水三角洲形成的基本条件即地形非常平缓，基底整体一样下降4-5。盆地北部构造板块在早二叠世晚期快速上抬，致使南北高差明显加剧，由于重力的作用该浅海碳酸盐沉积盆地沉积了
4、大量的陆源碎屑，形成了一套河道高建设性三角洲沉积建立。 在平面上砂体的主要分布形态为带状、分叉状分布，在剖面上的分布形态为透镜状、条带状分布，且顶板岩石中含少量植物化石，潮汐层理大量发育，结合测井曲线分析知早二叠世晚期，8煤形成之后海水入侵使本区变为浅水海湾环境，在其上沉积了高建设性浅水三角洲沉积体系及其沉积相序，即8煤层的沉积环境。 在此基础上，总结了8煤层顶板五类不同的煤岩相组合类型，为后期顶板分类供应了依据，即：煤-老顶组合类型；煤-页岩-老顶组合类型；煤-细砂岩-老顶组合类型；煤-泥岩-老顶组合类型；煤-粉砂岩、泥岩-老顶组合类型。 3 数值模型 大量生产数据表明，煤体经采空以后，煤层
5、顶板旁边的围岩会发生岩层弯曲、下沉、甚至坍落等现象。在连续介质、损伤介质力学原理的基础之上，开发了RFPA2D软件，它可以直观、有效地模拟岩石裂开全过程，并且具有应力分析和破坏分析两方面的功能。本次选用了第一类煤岩相组合类型中标记性较强、岩层分布明显、岩性描述精确、构造简洁的2000-1孔，借助RFPA2D数值计算软件来模拟分析采动过程中围岩的改变规律，以及岩体变形、破坏特征。 3.1 顶底板岩石特征 模拟实例位于煤层顶板主要为伪顶发育区，其伪顶为0.1m0.3m，老顶主要有泥岩及煤层组成，岩层呈层状分布，且简单发生离层现象，第一关键层厚度较薄。考虑到实际软件模拟须要，将岩层厚度统一四舍五入为
6、整数，对于极薄的伪顶和其它岩层在模型中仅以相应特征的薄分层代替。 3.2 计算模型与边界条件 依据8煤层分布特征模型尺寸为水平280m垂 直130m，整个模型共划分为 36400 个细观单元模型竖向范围。对应现场为：顶部距8煤层顶板116m，底部距8煤层底板6m，由于省略了现场顶部几一百零一米厚覆岩产生的自重应力，因此在模型上方施加了一等效荷载。模型每一步的开挖长度为5m，高为2m。考虑到生产要求，需在模型左右两端分别预留肯定的的煤柱。并使模型两端产生肯定程度的水平约束，且底部固定。图形的灰度值代表岩层的弹性模量，岩层弹性模量越大，亮度越高。计算模型如图1所示。 4 结果分析 当工作面沿切眼开
7、挖10m时，由于上覆岩层失去了下部岩层的支撑，使干脆顶及上覆岩层之间皆出现了不同程度的裂隙，部分顶板发生了冒落。 当工作面推动35m时，第一关键层发生弯曲下沉，形成了垂直或斜交于岩层层面的破断裂隙，并生断裂然后失稳垮落。 工作面推动50m时，第一关键层再次出现断裂，其次关键层下部岩层出现离层现象，在竖向裂隙发育于整个干脆顶的同时，干脆顶也发生了大幅度垮落。在离层裂隙和竖向裂隙共同作用下，最终发育了较大范围的裂隙带。同时，基本顶的上位软岩层协同其弯曲下沉，进而形成了大量的离层裂隙。 工作面推动73m时，其次关键层出现大幅度弯曲，上覆岩层出现离层及断裂现象，随着工作面的推动，采动裂隙接着发育，冒落
8、带和裂隙带的高度均有所增加。冒落带中下部已垮落的岩块被压实。 5 相关应用 对第一类煤岩相组合类型中2000-1孔旁边的12个工作面开展了矿压及顶板冒落特征的定期观测工作，结果表明实测结果与模拟结果相关性较好，在校正模拟结果与积累了阅历数据的基础上，对芦岭煤矿8煤层其它四类煤岩相组合类型中不同区域的标记性钻孔做了大量模拟工作，为顶板管理供应了珍贵的资料。 在平安生产方面，由于提前对顶板条件进行了预料，使得在芦岭煤矿882-1、827-1等工作面顶板管理及支护选型方面变被动为主动，有效地避开了基本顶板切顶事故，削减了干脆顶的冒落，平安效果显著。保障了生产平安，社会效益均非常显著。此外在经济效益方
9、面，由于对顶板的有效限制，削减了由于工作面局部地段空顶，支架初撑力，支架调斜、甚倒架等现象，节约大量的时间，提高了工作面回采效率，节约了大量资金。 6 结束语 6.1 对探讨区8煤层沉积环境进行了多方面的分析，提出其为一套高建设性浅水三角洲沉积体系及沉积相序，并以此将8煤层顶板划分为五类不同的煤岩相组合类型，为顶板的分类供应了依据。 6.2 第一类不稳定顶板，其岩石主要为前三角洲泥或复合顶板岩石，顶板回采时假如不能刚好的进行支护，简单发生冒顶。利用数值模型来表征覆岩在采动下的裂隙发育特征，在与生产数据对比的基础之上，得到了较精确的结果，这不仅为芦岭煤矿煤层顶板稳定性评价供应了新的思路，也对我国
10、其它地质条件类似的井田乃至矿区有了重要的参考借鉴价值。 6.3 虽然RFPA2D软件功能强大牢靠，但是由于实际的地质环境千差万别，无法完全真实地考虑岩体中的困难构造、地下水等因素对顶板的影响，这就会导致在砂岩含水层、地质构造困难等区域的模拟结果与实际有偏差，所以更应当注意在对岩体及相关地质状况充分了解的基础上，再与数值模型合理地进行有机结合，才能得到更加符合、逼真实际的效果。 参考文献 1张文江，宋振骐，杨增夫，等.煤矿重大事故限制探讨的现状和方向J.山东科技高校学报，2022，25：6. 2严红，何富连，张守宝，等.垮冒煤巷顶板模拟分析与支护探讨J.中国煤炭，2022，36：43-47. 3
11、孟召平，李国富，雷志勇，等.不同岩性顶板回采工作面矿压分布规律J.煤田地质与勘探，2022，34：19-21. 4龚绍礼.河南禹县早二叠世晚期浅水三角洲沉积和聚煤环境J.煤田地质与探，11016，11：85-91. 5夏文臣，雷建喜，王超勇.鄂尔多斯盆地南部延安组水下分流河道型湖泊三角洲体系的沉积构成J.地球科学，11011，16：219-228. 作者简介：曾小英，女，汉，福建龙岩人，助理工程师，地质勘探技术员，主要从事地质水文勘探方面的工作。 第7页 共7页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页第 7 页 共 7 页