RFPA(岩层移动模块)

RFPA工程算例（岩层移动模块）

X.H.Zhu (Mechsoft)

试验一：开采诱发的岩层移动及其应力分布的数值模拟

试验内容：

（1）模拟分步开采诱发的地应力重新分布情况

（2）模拟分析随着采动工作面的推进，上覆岩层的断裂过程及应力重分布情况

（3）模拟分析随着采动工作面的推进，地表沉陷和水平移动的发展规律

模型建立及参数选择

上硬下软型岩层顶板冒落

本模型尺寸50m×100m，网格单元划分100×200个；共划分20000个单元。采用平面应变模型。本模型共分不同岩性的5层岩层，力学参数及厚度如表1所示。本模型计算的目的是主要在于考察自下而上厚度和强度呈递增状态的顶板破坏过程及特征。

表1 上硬下软型岩层模型参数

层序岩性

厚度

（m）

弹性模量

（MPa）

抗压强度

（MPa）

自重

3

/

N mm

摩擦角

(度)

泊松比

顶板3 砂岩30 8000 80 2.65 30 0.25 顶板2 砂岩7.5 5000 50 2.5 35 0.30 顶板1 砂页岩 5 3000 30 2.5 37 0.30 煤层 2.5 1000 25 1.8 38 0.35 底版砂岩 5 10000 100 2.65 30 0.25

位置均质度弹性模量抗压强度自重M S -T M S -C 压拉比节理50 1000 10 2.0 1.0 20 50

RFPA数值模型

上硬下软型岩层破坏分析数值模型

模拟结果：

模拟结果分析：

（１）直接顶冒落阶段

随着采场工作面的推进，上覆岩层悬露，在重力的作用下弯曲岩梁悬露的跨度达到一定的跨度后，弯曲沉降发展到一定的限度，在岩梁的端部开裂，在此模型中，当工作面推进20m时发生开裂。在岩梁的中部开裂形成“假塑性岩梁”。如图F，当岩梁的沉将值超过“假塑性岩梁”允许的沉降值时，悬露岩层即自行冒落，如图Ｈ。冒落形态呈非对称性。（２）老顶初次破断阶段

随着采场工作面的进一步推进，老顶在重力的作用下弯曲下沉。当工作面推进到３５m 时，如图Ｉ所示，老顶出现大范围的移动，采空区前后煤臂上方基岩的上部、中部出现拉裂缝。当工作面推进到４０m时，如图Ｉ所示，基岩的老顶初次垮落，垮落的形态表现为不对称性。老顶破断岩块沿工作面煤臂切落。顶板第一次断裂结束。

（３）老顶周期性破断阶段

老顶初次破断后，当工作面推进４５m 如图Ｋ所示，上部顶板出现离层、端部中部断裂现象。上部顶板断裂第二次周期开始。

（４）地表沉陷阶阶段

当煤矿埋藏离地面不深时，开采区离地面较浅或采空区面积较大时，将引起地表沉陷等灾害。

（５）工作面推进时地表移动的变化特征：由模拟结果下沉可以看出，随着工作面的推进地表的下沉逐渐增大，下沉曲线基本上关于采空区中心线对称，下沉最大值也随着工作面的推进而前移。由水平移动可以看出，开挖区两侧的地表都向开挖去区移动，且随着采空区的加大，地表水平移动也逐渐增大。

随着工作面的推进上覆岩层的破断过程为：

岩梁首先是悬露，然后在重力的作用下发生离层、弯曲，当岩梁的悬露达到一定的跨度，弯曲沉降发展到一定的限度后，在煤臂处的端部、中部开裂形成“假塑性岩梁”，当其沉降值超过“假诉性岩梁”允许沉降值时，悬露岩层即自行冒落。随着采动工作面的推进，上覆岩层破断过程的总体趋势是由下而上发展的。

在采场开挖的过程中，直接顶的破坏形式为拉破断。老顶的破坏主要受随着开挖增大的拉应力及其损伤的积累作用，老顶初次破断机理拉破坏失稳。

老顶的周期性破断也是由拉应力引起的，属于拉破坏，老顶周期性破断过程是工作面推进，拉破坏区不断向下扩展使岩梁破断成接近块状，当工作面推进到拉破坏区下方时接近于块状的老顶岩块剪切失稳。

随着推进的进行，在顶板冒落以前，煤臂处的应力值最高，随着顶板的超前破坏，在破坏点的尖端存在高度应力集中。当破坏点连通时，岩体内能量得以释放，应力集中程度降低，这与断裂力学的观点是一致的，这为进一步用断裂力学的观点来研究岩层破坏与应力分布之间的关系提供了依据。

试验二：斜向层状岩体巷道围岩应力场分布模拟

试验内容：

（1）斜向层状岩体数值模型的建立

（2）不同形状巷道围岩应力场分布情况

模型建立及参数选择

网格100×200个单元，尺寸10000mm×20000mm,采用平面应变问题，X方向位移控制为0，Y方向自由。重力方向向下，力学性质参数如下表：

表 1 基元的力学参数、相变准则

位置Heterogeneit

y

Elastic/Mpa

Strength/Mp

a

Poisson Weight/N/mm3

岩层10 50000 300 0.25 2.4e-5 煤层 2 5000 150 0.3 1.4e-5 节理20 1000 10 0.25 1.0e-5

位置Friction

angle

C/T ratio Max strain T Max strain C

Strength

criterion

岩层30 10 1.5 200 M-C Criterion 煤层38 10 1.5 200 M-C Criterion 节理30 50 1.0 20 M-C Criterion

RFPA模型

原始模型

模拟结果