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摘要：文章通过数值软件FLAC3D对告成矿21041工作面围岩的应力分布及其变形破坏规律进行了数值模拟研究，得到了工作面开采时顶板破坏及上覆岩层运动的基本规律。
关键词：数值模拟 上覆岩层 垮落规律
1 概況
郑煤集团告成矿地层主要为第四系松散层和白垩系、侏罗系、三叠系基岩，岩性较复杂，地质构造复杂程度中等，煤层顶、底板岩石力学强度低，大多为不坚固~中等坚固岩石，工程地质勘探类型为第三类（层状岩类），工程地质复杂程度为中等。
2 数值计算模型
根据该矿21041工作面矿井地质资料，并考虑计算需要，确定数值计算模型，在建立力学模型过程中，考虑到模型计算时边界效应的影响，使主要研究区域处于边界效应影响的范围外，以达到更接近实际的计算结果。
21041工作面三维数值计算模型，FLAC三维模型应用Generate命令生成，尺寸为宽(X)×厚×(Y)×高(Z)=360m×80m×180m，工作面推进方向沿Y轴正方向，采用Mohr-Coulomb本构模型，应变模式采用大应变变形模式，采用brick单元模拟煤岩层，模型底部限制垂直移动，上部施加覆岩等效载荷，模型前后和侧面限制水平移动，整个模型由432000个单元组成，包括451451个节点。应用FLAC3D建立的三维数值计算模型。
3 工作面走向岩层变形破坏特征
3.1 垂直方向上的应力变化特征 工作面推进20m时，其走向垂直应力特征表明，在工作面开采空间，垂直应力释放于工作面中部顶底板区，应力集中于工作面煤壁和切眼煤壁附近，应力峰值4MPa左右，随着工作面推进，顶板应力释放区域（接近零）继续沿水平和竖直方向增大，工作面前方煤壁应力峰值继续增加，该应力集中区域的范围也随着工作面推进而增大；当工作面推进至120m时，顶板零应力区域延伸至松散层底部上覆岩层，随着工作面继续推进，上覆岩层出现大范围应力释放区，说明上覆岩层发生了大范围破坏。
同时，从煤壁前方应力集中特征可以看出，该应力集中区域存在着明显的分区特点，即沿着工作面推进方向分布着减压区、增压区和稳压区三个应力特征区域；在工作面的推进过程中，该三个应力特征区域的范围也不断变化，当工作面推进20m时，减压区和增压区的影响范围约为15m左右，工作面推进至40m时，减压区和增压区的影响范围约为20m左右，工作面推进至60m时，减压区和增压区的影响范围约为30m左右，当工作面继续推进至70m时，该应力区稳定在30m左右。
3.2 沿走向的位移变化特征 工作面推进时，变形明显区域主要处于工作面采空区域顶板，并随着工作面推进向上覆高层位岩层延伸，在岩层与松散层交汇区，位移轮廓出现横向扩展区域，这是由于松散层强度较小，随着坚硬岩层的微变形而引起。该区随着工作面的推进，有继续扩展趋势，当工作面推进至110m～120m时，顶板破坏延伸至松散层附近，随着继续推进，处于采空区上方的松散层出现大面积下沉，下沉量最大值达到0.8m左右，其下沉具有竖直切落特征。
3.3 支承压力特征 通过对不同推进度支承压力曲线分析，可知，工作面前方支承压力随着工作面推进呈逐渐增大趋势，当推进至40m时支承压力值达到最大，推进60m时压力值增加不大。不同推进度下，支承压力的影响范围在25～35m之间，随着推进度的增加，影响范围有所增加，但增加幅度不大，最大为40m左右。
4 结论
4.1 工作面走向岩层垮落具有初次来压和周期来压特征：直接顶初次垮落步距为30m，老顶初次来压步距为45m，工作面平均周期来压约为9.7m。随着工作面推进，上方岩层水平裂隙沿工作面推进方向延伸扩展；工作面推进到110～150m时，松散层发生破坏，地表发生下沉且呈非连续台阶状。
4.2 工作面推进过程中，垂直应力释放于工作面中部顶底板区，应力集中于工作面煤壁和切眼煤壁附近，随着工作面推进，顶板应力释放区（接近零）继续沿水平和竖直方向增大，工作面前方煤壁应力峰值继续增加；同时，应力集中区域存在着明显的分区特点，即沿着工作面推进方向分布着减压区、增压区和稳压区三个应力特征区；在工作面的推进过程中，该三个应力特征区的范围也不断变化，顶板岩层周期性垮落过程中，该应力区域的范围稳定在30m左右。
4.3 工作面前方支承压力随着工作面推进呈逐渐增大趋势，推进至60m时支撑压力值趋于稳定。不同推进尺度下，支承压力影响范围为25～35m，随着推进度的增加，影响范围略有增加，但增加幅度不大，最大为40m左右。
4.4 塑性区的破坏发展主要处于顶板及上覆岩层范围内，顶板范围内主要表现为拉伸破坏，工作面附近煤壁塑性破坏范围较大，主要以剪切破坏为主，且影响范围保持在10m左右；由于开采扰动的影响，上覆岩层与松散层接触面出现拉伸破坏条带，分布在工作面煤壁上方和采空区后方煤壁上方，该范围的岩层破坏条带逐渐向下方顶板扩展，破坏形式转换为剪切破坏；上覆岩层发生大范围破坏轮廓为一近似梯形。
关键词：数值模拟 上覆岩层 垮落规律
1 概況
郑煤集团告成矿地层主要为第四系松散层和白垩系、侏罗系、三叠系基岩，岩性较复杂，地质构造复杂程度中等，煤层顶、底板岩石力学强度低，大多为不坚固~中等坚固岩石，工程地质勘探类型为第三类（层状岩类），工程地质复杂程度为中等。
2 数值计算模型
根据该矿21041工作面矿井地质资料，并考虑计算需要，确定数值计算模型，在建立力学模型过程中，考虑到模型计算时边界效应的影响，使主要研究区域处于边界效应影响的范围外，以达到更接近实际的计算结果。
21041工作面三维数值计算模型，FLAC三维模型应用Generate命令生成，尺寸为宽(X)×厚×(Y)×高(Z)=360m×80m×180m，工作面推进方向沿Y轴正方向，采用Mohr-Coulomb本构模型，应变模式采用大应变变形模式，采用brick单元模拟煤岩层，模型底部限制垂直移动，上部施加覆岩等效载荷，模型前后和侧面限制水平移动，整个模型由432000个单元组成，包括451451个节点。应用FLAC3D建立的三维数值计算模型。
3 工作面走向岩层变形破坏特征
3.1 垂直方向上的应力变化特征 工作面推进20m时，其走向垂直应力特征表明，在工作面开采空间，垂直应力释放于工作面中部顶底板区，应力集中于工作面煤壁和切眼煤壁附近，应力峰值4MPa左右，随着工作面推进，顶板应力释放区域（接近零）继续沿水平和竖直方向增大，工作面前方煤壁应力峰值继续增加，该应力集中区域的范围也随着工作面推进而增大；当工作面推进至120m时，顶板零应力区域延伸至松散层底部上覆岩层，随着工作面继续推进，上覆岩层出现大范围应力释放区，说明上覆岩层发生了大范围破坏。
同时，从煤壁前方应力集中特征可以看出，该应力集中区域存在着明显的分区特点，即沿着工作面推进方向分布着减压区、增压区和稳压区三个应力特征区域；在工作面的推进过程中，该三个应力特征区域的范围也不断变化，当工作面推进20m时，减压区和增压区的影响范围约为15m左右，工作面推进至40m时，减压区和增压区的影响范围约为20m左右，工作面推进至60m时，减压区和增压区的影响范围约为30m左右，当工作面继续推进至70m时，该应力区稳定在30m左右。
3.2 沿走向的位移变化特征 工作面推进时，变形明显区域主要处于工作面采空区域顶板，并随着工作面推进向上覆高层位岩层延伸，在岩层与松散层交汇区，位移轮廓出现横向扩展区域，这是由于松散层强度较小，随着坚硬岩层的微变形而引起。该区随着工作面的推进，有继续扩展趋势，当工作面推进至110m～120m时，顶板破坏延伸至松散层附近，随着继续推进，处于采空区上方的松散层出现大面积下沉，下沉量最大值达到0.8m左右，其下沉具有竖直切落特征。
3.3 支承压力特征 通过对不同推进度支承压力曲线分析，可知，工作面前方支承压力随着工作面推进呈逐渐增大趋势，当推进至40m时支承压力值达到最大，推进60m时压力值增加不大。不同推进度下，支承压力的影响范围在25～35m之间，随着推进度的增加，影响范围有所增加，但增加幅度不大，最大为40m左右。
4 结论
4.1 工作面走向岩层垮落具有初次来压和周期来压特征：直接顶初次垮落步距为30m，老顶初次来压步距为45m，工作面平均周期来压约为9.7m。随着工作面推进，上方岩层水平裂隙沿工作面推进方向延伸扩展；工作面推进到110～150m时，松散层发生破坏，地表发生下沉且呈非连续台阶状。
4.2 工作面推进过程中，垂直应力释放于工作面中部顶底板区，应力集中于工作面煤壁和切眼煤壁附近，随着工作面推进，顶板应力释放区（接近零）继续沿水平和竖直方向增大，工作面前方煤壁应力峰值继续增加；同时，应力集中区域存在着明显的分区特点，即沿着工作面推进方向分布着减压区、增压区和稳压区三个应力特征区；在工作面的推进过程中，该三个应力特征区的范围也不断变化，顶板岩层周期性垮落过程中，该应力区域的范围稳定在30m左右。
4.3 工作面前方支承压力随着工作面推进呈逐渐增大趋势，推进至60m时支撑压力值趋于稳定。不同推进尺度下，支承压力影响范围为25～35m，随着推进度的增加，影响范围略有增加，但增加幅度不大，最大为40m左右。
4.4 塑性区的破坏发展主要处于顶板及上覆岩层范围内，顶板范围内主要表现为拉伸破坏，工作面附近煤壁塑性破坏范围较大，主要以剪切破坏为主，且影响范围保持在10m左右；由于开采扰动的影响，上覆岩层与松散层接触面出现拉伸破坏条带，分布在工作面煤壁上方和采空区后方煤壁上方，该范围的岩层破坏条带逐渐向下方顶板扩展，破坏形式转换为剪切破坏；上覆岩层发生大范围破坏轮廓为一近似梯形。