朱子良 王雁冰 薛華俊

(1．福樂定工業(yè)有限責(zé)任公司，安徽 淮北 235025; 2．中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

1 概述

楊莊煤礦3642采面所在的Ⅲ64采區(qū)對應(yīng)地表位置位于淮北市烈山區(qū)濉溪縣境內(nèi)，南至南三橋以南500 m;北至后大街以北200 m;東至鐵路東側(cè)250 m;西至東城糧站北關(guān)分社。采區(qū)地表沿線分布有眾多建筑物，屬于典型建下壓煤問題。楊莊煤礦擬采用充填開采法對Ⅲ64采區(qū)煤體進行矸石充填開采，從而有效控制地表沉降和減輕煤層開采對地面建筑物的威脅，實現(xiàn)煤炭資源綠色安全開采。

2 FLAC3D初始模型的建立

由于楊莊煤礦煤層傾角小于5°，屬于近水平煤層范疇，故在FLAC3D初始模型建立時，把它當(dāng)作水平煤層進行設(shè)計。FLAC3D模擬模型大小的設(shè)計與最后模擬結(jié)果的誤差大小有著重要的影響，模型范圍過大，計算速度太慢，模型范圍過小，計算結(jié)果與現(xiàn)實情況差別太大，不符合實際情況，對現(xiàn)場不具有指導(dǎo)意義。故FLAC3D初始模型大小的設(shè)計非常重要。為了更清晰地分析煤層及頂?shù)装鍛?yīng)力，整個模型從上到下依次為老頂、直接頂、煤層、直接底、老底。在模型的上部邊界上施加應(yīng)力邊界條件，即上部邊界上覆巖層重量，其施加的荷載q為均布荷載，大小為∑γgh，與上覆巖層的容重和埋藏深度成正比例關(guān)系，其中，g為重力加速度，這里取9．8 m/s2;γ為上覆巖層的容重;h為埋藏深度，這里取415 m。煤層直接頂和直接底均為泥巖，老頂和老底均為砂巖。由于巷道圍巖采用了錨網(wǎng)聯(lián)合支護，所以在模型力學(xué)參數(shù)的設(shè)置上進行了適當(dāng)修正加強。綜上所述，為了與現(xiàn)場地質(zhì)情況盡可能一致的同時考慮到建模的方便及合理，模型共劃分為54 000個單元，60 016個節(jié)點，初始模型網(wǎng)格示意圖如圖1所示。

圖1 初始模型網(wǎng)格示意圖

整個模型的長寬高尺寸分別為120 m×30 m×43．5 m，在X方向上取120 m，在Y方向上取30 m，在Z方向上取43．5 m，其中頂板厚20 m、煤層厚3．5 m(位于Z=20 m～23．5 m區(qū)域)、底板厚20 m。依據(jù)現(xiàn)場實際情況，并保證模擬的真實可靠性，盡量避免模型邊界效應(yīng)的負(fù)面影響，在模型的煤層區(qū)域內(nèi)，在模型X方向，各距模型左右邊界20 m～40 m不等區(qū)域內(nèi)模擬了矸石充填巷采區(qū)域，設(shè)置了相應(yīng)的隔離煤柱和巷道，其中巷道5條、隔離煤柱4個，并按需要設(shè)置了一定的寬度。在保證計算精度的前提下，為節(jié)省單元，提高模型的運算速度，按區(qū)域需要來考慮，對重點研究區(qū)域可以進行網(wǎng)格加密處理。這里選取模型內(nèi)部Y方向15 m處的剖面進行研究探討，目的就是為了消除模型前后邊界對分析結(jié)果的影響。

3 FLAC3D模型邊界條件的設(shè)置

FLAC3D模擬模型施加邊界條件依照如下兩個原則:1)將模型Z方向下邊界的豎直、水平初始位移均定義為0;2)在模型X方向和Y方向的四個邊界上同時施加水平約束，并將邊界水平初始位移定義為0。

在模型Z方向下邊界上設(shè)置大小為γH(其中，γ為上覆巖層的平均容重，這里取25 kN/m3;H為地表到模型Z方向下邊界的距離，m)的上覆巖層自重應(yīng)力，其為下覆巖層反力等效的荷載σz。

在模型X方向的兩個側(cè)面和Y方向的兩個側(cè)面上分別施加大小為σx和σy側(cè)向應(yīng)力荷載，大小為λγH(其中，λ為側(cè)壓系數(shù)為泊松比)，這里的側(cè)向應(yīng)力荷載是由自重應(yīng)力產(chǎn)生的［1-3］。

4 矸石充填巷式開采FLAC3D數(shù)值模擬研究

矸石充填巷式開采FLAC3D數(shù)值模擬研究的目的主要有三個，分別為充填矸石對煤柱側(cè)限應(yīng)力的影響、煤柱附加應(yīng)力的大小和采空區(qū)覆巖下沉量的大小。其中對這三項研究內(nèi)容起主要作用的分別是煤壁水平應(yīng)力、煤柱豎直應(yīng)力和巷道頂板豎直應(yīng)力，但由于開挖巷道造成的應(yīng)力集中使得煤柱和覆巖在同一個截面上各個位置的應(yīng)力可能不相等，在保證模型不失真的前提下為簡化起見，這里主要選取煤柱煤壁向里0．2 m豎向截面平均水平應(yīng)力來分析充填矸石對煤柱側(cè)限應(yīng)力的影響，選取煤柱高3．0 m處水平截面最大豎直應(yīng)力來分析煤柱附加應(yīng)力的大小，選取巷道頂板1．0 m處水平截面巷道頂板中線處豎直應(yīng)力來分析采空區(qū)覆巖下沉量的大小，如圖2所示［4］。其中巷道覆巖下沉量、覆巖破壞程度分別與巷道頂板豎直應(yīng)力大小具有反比例關(guān)系。

圖2 數(shù)值模擬分析圖

開采巷道采用矸石進行充填，使預(yù)留的隔離煤柱處于三向受壓狀態(tài)(充填后隔離煤柱的側(cè)向壓應(yīng)力主要由上覆巖層對充填矸石的壓力、充填矸石自重靜態(tài)壓力的水平分力和因隔離煤柱膨脹而引起的被動壓應(yīng)力構(gòu)成)，對隔離煤柱承載能力的增強和自身強度的提高具有很大的作用。矸石對巷道的充填，不僅能有效減小巷道的頂板下沉量和承擔(dān)部分上覆巖層的重量，而且能對因巷道開挖造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象的減小具有積極作用。通過FLAC3D軟件對不采用矸石充填和采用矸石進行充填的巷道(這里開采巷道寬度設(shè)置為5 m，隔離煤柱寬度設(shè)置為10 m)進行數(shù)值模擬分析，得出了煤壁水平應(yīng)力、煤柱豎直應(yīng)力和巷道頂板豎直應(yīng)力大小在兩種條件下的模型數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 模型數(shù)據(jù)對照表 MPa

從表1可以看出，在未用矸石充填的巷式開采巷道中，煤壁水平應(yīng)力、煤柱豎直應(yīng)力、巷道頂板豎直應(yīng)力分別為1．5 MPa，22 MPa，0．624 MPa;而用矸石進行充填的開采巷道中，三項應(yīng)力指標(biāo)分別為 3 MPa，13 MPa，4．43 MPa?？梢?，充填后煤壁水平應(yīng)力大約增加了1倍，煤柱最大豎直應(yīng)力減小了約40%，頂板豎直應(yīng)力增加了7倍多。

模擬模型未充填和采用矸石充填的巷式開采巷道破壞區(qū)域分布示意圖分別如圖3，圖4所示。由圖3與圖4的對比分析可以明顯看出，圖3中的巷道由于未用矸石進行充填，在巷道頂板、底板的很大范圍內(nèi)和隔離煤柱的過半面積的單元都發(fā)生了嚴(yán)重的剪切和拉伸破壞，巷道頂?shù)装搴蛢蓭妥冃螄?yán)重，有很大的安全隱患;圖4中的巷道由于采用矸石對開采巷道進行充填，由于充填矸石能為煤柱提供側(cè)限作用和為頂板巖層起到支撐作用，故模型只在充填巷道的頂?shù)装搴推涓浇褐男〔糠址秶鷥?nèi)的單元發(fā)生了拉剪破壞。巷道充填后，破壞范圍小，說明模型設(shè)置的巷道開采寬度和隔離煤柱的留設(shè)寬度合適，并且充填矸石很大程度上對覆巖和煤柱起到了保護作用。

圖3 未充填的巷式開采巷道破壞區(qū)分布圖

圖4 矸石充填的巷式開采巷道破壞區(qū)分布圖

5 結(jié)語

用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對楊莊煤礦3642采面Ⅲ64采區(qū)充填和不充填開挖過程進行數(shù)值模擬分析比較，得出充填開挖能很大程度上減小開挖巷道上覆圍巖的下沉量和破壞，并為煤柱提供很強的側(cè)限作用，對控制地表沉降，減輕煤層開采對地面建筑物的威脅具有重要的意義。

［1] 陳育民，徐鼎平．FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實例［M］．北京:中國水利水電出版社，2009:74-93．

［2] 連小林，馮光明，韓曉東，等．超高水材料開放式充填FLAC3D數(shù)值模擬應(yīng)用研究［J］．煤礦開采，2011，16(1):4-7．

［3] 劉鵬亮．邢東礦充填巷式開采數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測研究［D］．北京:煤炭科學(xué)研究總院，2007．

［4] 胡炳南．粉煤灰充填對控制巖層移動的理論研究［J］．煤礦開采，1991(2):29-32．