史曉勇，范 軍

(1.北京華宇工程有限公司，北京100120;2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇徐州221116)

特殊采煤與礦區(qū)環(huán)境治理

似膏體充填開采采場穩(wěn)定性及頂板移動變形的數(shù)值模擬與分析

史曉勇1，范 軍2

(1.北京華宇工程有限公司，北京100120;2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇徐州221116)

以濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)太平煤礦工程概況為試驗(yàn)背景，借助于FLAC3D數(shù)值模擬程序數(shù)值模擬似膏體充填開采工藝，揭示了似膏體充填開采采場穩(wěn)定性及頂板移動變形規(guī)律，為似膏體充填開采實(shí)踐提供了理論指導(dǎo)與技術(shù)支持。

似膏體充填開采;采場穩(wěn)定性;頂板移動變形;數(shù)值模擬

似膏體充填采礦方法是一種新興的“綠色開采技術(shù)”，相比于傳統(tǒng)的水力膠結(jié)充填和膏體充填，該方法既具有水力充填料漿流動性好、輸送方便的特點(diǎn)，又具有膏體充填體強(qiáng)度高、井下不脫水、保護(hù)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。由于受充填體的力學(xué)特性、充填工藝及充填質(zhì)量、地質(zhì)條件等多方面因素的影響，似膏體充填開采采場穩(wěn)定性及頂板移動變形規(guī)律將影響到似膏體充填采礦方法的成功。為此，本文在這方面進(jìn)行了初步探討。

現(xiàn)有的巖層移動變形理論基本上都以均勻連續(xù)介質(zhì)假設(shè)作為理論研究前提，關(guān)鍵參數(shù)必須經(jīng)過現(xiàn)場觀測才能確定，因而給實(shí)際預(yù)測工作造成了一定的難度［1］。近年來數(shù)值模擬方法發(fā)展很快，其對于了解問題的本質(zhì)與理論研究具有同等重要的作用［2］，且對于問題的研究更加精致，考慮的因素更加全面，因此得到的結(jié)果更加符合實(shí)際。

本文采用FLAC3D數(shù)值模擬方法，以巖石力學(xué)理論為基礎(chǔ)，以煤巖物理力學(xué)參數(shù)和地層構(gòu)造特性為計(jì)算依據(jù)［1］，按平面應(yīng)變的問題，建立合理的數(shù)值模型，對山東省太平煤礦似膏體充填開采條件下采場穩(wěn)定性及頂板移動變形進(jìn)行分析，從而對確定似膏體充填開采采場穩(wěn)定性及探尋頂板移動變形規(guī)律提供有力支持。

1 工程地質(zhì)概況

濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)太平煤礦地處兗州礦業(yè)集團(tuán)南屯煤礦西側(cè)，屬兗州煤田的一部分。本區(qū)除東南部和西北部有寒武系、奧陶系地層出露外，其余均為第四系覆蓋，第四系之下發(fā)育有石灰系、二迭系、侏羅系和第三系。含煤地層主要包括石灰系上統(tǒng)太原組和二迭系下統(tǒng)山西組。太平煤礦生產(chǎn)能力1.10Mt/a，主采3號煤層存在十分嚴(yán)重的村莊壓煤和提高開采上限問題。

1.1 煤層條件

太平煤礦八采區(qū)開采煤層為山西組3號煤層，計(jì)劃分4層上行開采，先采底分層，最后開采頂分層。3號煤層平均厚度為8.75m。該區(qū)段范圍內(nèi)煤層為近水平煤層，傾角變化范圍為1～5°。按照太平煤礦8301工作面實(shí)驗(yàn)情況，3號煤層RQD= 22%，抗壓強(qiáng)度8.5MPa，抗拉強(qiáng)度0.5MPa，彈性模量1300MPa，泊松比0.29。

1.2 覆巖條件

3號煤層直接頂板為一組砂巖巖層，由灰色、灰白色鈣質(zhì)膠結(jié)的中細(xì)長石英砂巖組成，厚度23.7～26.9m，平行或波狀層理比較發(fā)育，張性裂隙發(fā)育。煤層直接頂砂巖組以上基巖層一般為泥巖，中砂巖，細(xì)砂巖，粉砂巖等互層，分組厚度一般較小。煤層直接頂?shù)目箟簭?qiáng)度21.6～25.0MPa，抗拉強(qiáng)度 1.4～1.5MPa，彈性模量 2000～2700MPa，內(nèi)摩擦角35°，泊松比0.20～0.24。

1.3 第四系松散土層條件

充填開采所在的八采區(qū)范圍內(nèi)3號煤層上覆第四系松散土層厚度 147.00～166.15m，平均154.91m，一般150～160m，以灰色、灰綠色粘土、砂質(zhì)粘土為主，夾砂及砂礫多層，厚度穩(wěn)定。

2 數(shù)值模擬地質(zhì)力學(xué)模型的建立

2.1 力學(xué)參數(shù)

本次似膏體充填開采數(shù)值模擬以山東省某煤礦八采區(qū)8307區(qū)段開采3號煤層為工程試驗(yàn)背景。似膏體充填材料主要由膠結(jié)劑和骨料組成［3］。其中，膠結(jié)劑采用新的膠凝材料——凝石材料。似膏體充填料漿的濃度為76%～80%，凝石材料含量5%，粉煤灰含量15%～20%。

本研究對該煤礦3號煤層及上覆巖層采用大應(yīng)變變形模式，材料模型為理想彈塑性，強(qiáng)度準(zhǔn)則采用莫爾－庫侖破壞準(zhǔn)則。

根據(jù)研究區(qū)域的巖層柱狀圖及本礦和鄰近礦的煤巖物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及似膏體充填材料力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，煤、巖和充填材料計(jì)算的力學(xué)參數(shù)選取如表1所示。

2.2 數(shù)值計(jì)算模型的建立

表1 介質(zhì)類型及力學(xué)參數(shù)

根據(jù)該煤礦八采區(qū)8307區(qū)段工程地質(zhì)概況，加以必要的簡化，利用三維數(shù)值模擬計(jì)算軟件FLAC3D建立數(shù)值計(jì)算模型。3號煤層八采區(qū)充填開采選擇已經(jīng)通過專家論證的充填工藝，即八采區(qū)3號煤層分4層由下而上開采。本次模擬為了便于研究只考慮首次分層開采，即底分層開采，工作面長度取180m，運(yùn)輸巷、軌道巷寬度均為3m，采高2.2m，充填步距為2.5m。在地面用泗河河砂、粉煤灰、凝石和水配制成凝石含量為5%的似膏體料漿，通過管道泵送到井下，緊隨回采工作面后方在頂板未垮落前及時充填采空區(qū)。計(jì)算域的上邊界取至地表，下邊界考慮到消除邊界效應(yīng)的影響底板下方延伸30m，即取到地表以下221m;走向長度取200m;為了消除邊界效應(yīng)的影響傾向各向兩邊延伸30m，即傾向長度取260m。工作面布置為水平方向。似膏體充填開采三維數(shù)值計(jì)算模型網(wǎng)格圖如圖1所示。

3 數(shù)值模擬與分析

3.1 數(shù)值模擬

圖1 似膏體充填開采三維數(shù)值計(jì)算模型網(wǎng)格

在似膏體充填實(shí)際開采中，開采、充填都是分步交替進(jìn)行，即“采煤－充填－采煤－充填”交替循環(huán)，這期間隨著工作面向前推進(jìn)，工作面前方(煤壁)與后方 (充填體)頂板不可避免會有應(yīng)力和位移變化。當(dāng)工作面推進(jìn)一段時間后，其前、后方遠(yuǎn)離煤壁一定距離頂板應(yīng)力分布和位移變化趨于穩(wěn)定。本研究從充填體分步充填開采開始，隨采隨充，向前推進(jìn)100m后，借助于FLAC3D數(shù)值模擬程序，模擬似膏體充填開采采場穩(wěn)定性及頂板移動變形情況并進(jìn)行分析。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 充填采場穩(wěn)定性分析

從數(shù)值模擬結(jié)果中可以得到充填采場水平應(yīng)力場及垂直應(yīng)力場分布情況，如圖2，3所示。

圖2 充填采場水平應(yīng)力場分布

圖3 充填采場垂直應(yīng)力場分布

(1)水平應(yīng)力場分析 由圖2可以看出，在充填采場前方，水平應(yīng)力增大，最大值為3.56MPa，表現(xiàn)為拉應(yīng)力，即最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在煤壁前方約5m左右，影響范圍約為5～10m。隨著遠(yuǎn)離采場水平應(yīng)力有所減小，逐漸趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值為2.82MPa。由于最大拉應(yīng)力大于頂板抗拉強(qiáng)度，頂板會在最大拉應(yīng)力位置出現(xiàn)拉斷破壞。在充填采場后方，水平應(yīng)力隨著遠(yuǎn)離采場而增大，但是增大幅度逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定，最小值為1.36MPa，穩(wěn)定值為2.78MPa。

(2)垂直應(yīng)力場分析 由圖3可知，在充填采場頂板與兩側(cè)壁的交接處，由于頂板和兩側(cè)壁的相互作用，出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。在頂板與煤壁交接處，壓應(yīng)力為5.13MPa;在頂板與充填體交接處，壓應(yīng)力為4.16MPa。由于兩處應(yīng)力集中均小于煤層和充填體抗壓強(qiáng)度，故采場頂板不會因?yàn)閼?yīng)力集中的作用在頂板與兩側(cè)壁處發(fā)生擠壓破壞。

3.2.2 頂板移動變形分析

(1)垂直位移分析 從數(shù)值模擬結(jié)果中可以看出頂板垂直位移的分布情況，如圖4所示。同時得到頂板的下沉量，即垂直位移量，對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并繪出垂直位移曲線圖，如圖5所示。

圖4 頂板垂直位移分布

圖5 頂板下沉曲線

由圖6，圖7可以看出，采空區(qū)充填體上由于充填體壓縮形成的頂板撓曲隨遠(yuǎn)離煤壁而增加，距煤壁40～50m以上時，增長變緩。最大下沉達(dá)到91.5mm，約為采高2.2m的4.15%，距煤壁70m以后頂板下沉值有所減小。對于煤層上方的頂板，隨著遠(yuǎn)離煤壁，其下沉值衰減，至煤壁50～60m以遠(yuǎn)，衰減幅度減小。煤層頂板下沉最大值在煤壁處，達(dá)到80mm左右，約為采高2.2m的3.63%。

(2)垂直應(yīng)力分析 從數(shù)值模擬結(jié)果中可以看出頂板垂直應(yīng)力的分布情況，如圖6所示。同時得到頂板的垂直應(yīng)力值，對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并繪出頂板垂直應(yīng)力曲線圖，如圖7所示。

圖6 頂板垂直應(yīng)力分布

由以上兩圖可以看出，采空區(qū)充填體上方頂板垂直應(yīng)力隨遠(yuǎn)離煤壁而急劇增加，在工作面后方50～60m以上開始明顯減緩，慢慢趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后的應(yīng)力值為3.84MPa，與原巖應(yīng)力值相當(dāng)。煤層上方頂板垂直應(yīng)力的變化特征中宏觀上符合常規(guī)工作面開采支撐壓力的分布規(guī)律，距煤壁60～70m以上是原巖應(yīng)力區(qū)，即穩(wěn)壓區(qū)。

圖7 頂板垂直應(yīng)力曲線

4 結(jié)束語

通過數(shù)值模擬分析并得出了似膏體充填開采采場穩(wěn)定性及頂板移動變形規(guī)律，即采場頂板會在最大拉應(yīng)力位置出現(xiàn)拉斷破壞，不會因?yàn)閼?yīng)力集中的作用在頂板與兩側(cè)壁處發(fā)生擠壓破壞。充填體上方頂板移動變形隨遠(yuǎn)離煤壁而增加，距煤壁40～50m以上時增長變緩趨于穩(wěn)定;煤層上方頂板移動變形隨著遠(yuǎn)離煤壁，其下沉值衰減。相比于非充填開采，頂板移動變形明顯較小，減少了地表沉陷。研究成果對似膏體充填開采實(shí)踐具有一定參考價值。

［1］謝和平，周宏偉.FLAC在煤礦開采沉陷預(yù)測中的應(yīng)用及對比分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999，18(4):397－401.

［2］康紅普.回采巷道錨桿支護(hù)影響因素的FLAC分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999，18(5):534－537.

［3］黃玉誠，孫恒虎，等.似膏體充填建筑物下采煤可行性探討［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2003，31(10):51－53.

［4］蔡嗣經(jīng)，礦山充填力學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1994.

［5］錢鳴高，繆協(xié)興，許家林，等.巖層控制的關(guān)鍵層理論［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2002.

［責(zé)任編輯:徐乃忠］

Numerical Simulation and Analysis of Stope Stability and Roof Movement and Deformation in Paste-like Stowing Mining

SHI Xiao-yong1，F(xiàn)AN Jun2

(1.Beijing Huayu Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100120，China; 2.Mining Engineering School，China University of Mining＆Technology，Xuzhou 221116，China)

Taking Taiping Colliery of Jining Mining Group as engineering background，applying FLAC3Dto simulating paste-like stowing technique，this paper obtained stope stability and roof movement and deformation rule which provided theoretical indication and technical support for paste-like stowing mining practice.

paste-like stowing mining;stope stability;roof movement and deformation;numerical simulation

TD823.7

A

1006-6225(2012)04-0076-03

2012－03－28

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助 (2010QNB24)

史曉勇 (1982－)，男，山西太原人，工程師，現(xiàn)從事礦井設(shè)計(jì)方面的研究工作。