李旭波 李旭鵬

（1.山西晉煤集團(tuán)澤州天安煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000；2.潞安集團(tuán)常村煤礦，山西 長治 046000）

本文以煤礦充填開采技術(shù)為研究背景，將該礦充填開采過程中實(shí)際測量的數(shù)據(jù)與通過數(shù)值模擬方法研究的理論結(jié)果進(jìn)行對比，研究固體充填開采問題，對現(xiàn)場實(shí)踐有很好的推動作用。

1 FLAC3D數(shù)值分析軟件簡介

FLAC3D技術(shù)是目前工程方面的通用型軟件，涉及領(lǐng)域包括土木工程建設(shè)、交通設(shè)施建設(shè)、水利工程設(shè)施建設(shè)、石油及采礦工程、環(huán)境工程等。作為ITASCA軟件產(chǎn)品中的明星產(chǎn)品軟件，F(xiàn)LAC3D技術(shù)在學(xué)術(shù)界和實(shí)務(wù)界具有良好的聲譽(yù)，特別是在國際土木工程和巖土工程方面。FLAC3D所使用的顯現(xiàn)式拉格流動以及變形都能朗日算法和混合-離散技術(shù)，在材料得出模擬的流動和塑性破壞方面都達(dá)到了非常精確的程度。無形形成的剛度矩陣，在很小的內(nèi)存空間內(nèi)就能夠最大范圍的解決問題。

根據(jù)三維顯式有限差分法的數(shù)值分析方法在學(xué)術(shù)界被稱為三維快速拉格朗日法，可以有效地實(shí)現(xiàn)對巖土或其他材料的三維力學(xué)行為的模擬。三維快速拉格朗日算法在模擬大變形的問題上非常的專業(yè)。它的計算方法是通過分析計算區(qū)域內(nèi)遵循指定的線性或其他型的本構(gòu)關(guān)系的四面體單元的若干個在給定的邊界條件的情況下的計算情況。如果在應(yīng)力的作用下，材料發(fā)生了變形或產(chǎn)生塑性流動，隨著材料的變形，單元網(wǎng)格也會發(fā)生相應(yīng)的改變。三維快速拉格朗日應(yīng)用混合單元離散模型在分析采用顯式有限差分格式來求解場的控制微分方程的方式，在模擬材料的屈服、塑性流動、軟化甚至是大變形方面達(dá)到了非常精確的程度。這種精確性尤其體現(xiàn)在材料模擬施工過程和材料的變形分析等多種領(lǐng)域。

2 工作面概況

山西晉煤集團(tuán)澤州天安煤業(yè)有限公司91301工作面位于9#煤一采區(qū)西南側(cè)，東距晉城市約22km，東側(cè)約2km處有晉（城）韓（城）公路通過，南距晉陽高速公路約8km，距晉北集煤站約25km，各鄉(xiāng)村均有公路相連，交通運(yùn)輸條件方便。工作面對應(yīng)地表位置無河流、水體、村莊、構(gòu)筑物、鐵路、公路、管線及其他設(shè)施。91301首采工作面位于該礦9#煤層+705m水平采區(qū)，煤層底板標(biāo)高702.6～728.9m，該面是該礦第一個綜采工作面。91301工作面長度150m，走向長度480m，煤層傾角2～4°，面積為73500m2，煤層厚1.05～2.13m，設(shè)計采高2.13m，容重1.5t/m3。工作面上方無房屋等建筑，但采空后因地表下陷，要定時巡查地表塌陷情況。

91301工作面范圍內(nèi)煤層厚度為1.05～2.13m，平均厚2.03m，蓋山厚度為102～130m。91301工作面范圍內(nèi)煤層為南北走向，上山開采，傾角為2～4°，變化較小。煤層厚度及層位穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，不含矸石，為黑色—灰黑色、光亮型煤，似金屬光澤，條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，階梯狀、貝殼狀斷口，條痕灰黑色，質(zhì)堅硬，裂隙不發(fā)育。煤巖組分以亮煤、鏡煤為主，次為暗煤和絲炭，礦物質(zhì)中黃鐵礦含量高。工作面煤層情況見表1。

表1 91301工作面煤層情況表

2.1 煤層頂板

偽頂：無；

直接頂：泥巖，厚約2～3m，灰黑色，質(zhì)密，較硬；

老頂：細(xì)粒砂巖，厚約2.0m，灰白色，質(zhì)硬。

頂板粉砂巖抗壓強(qiáng)度為23.6～31.4MPa，平均26.7MPa，為中等堅硬巖石，抗拉強(qiáng)度為0.27～1.02MPa，平均0.56MPa，抗切強(qiáng)度為2.93～4.40MPa，平均3.84MPa。

2.2 煤層底板

直接底：泥巖，厚約1.5m，灰黑色，質(zhì)密，較硬；老底：細(xì)砂巖，厚約7m，灰白色，質(zhì)硬。

底板砂質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度為56.4～68.0MPa，平均63.3MPa，為堅硬巖石，抗拉強(qiáng)度為1.49～2.12MPa，平均1.87MPa，抗切強(qiáng)度為1.95～5.26MPa，平均3.20MPa。

工作面煤層頂?shù)装迩闆r見下表2。

表2 91301工作面煤層頂?shù)装迩闆r

3 建立計算模型

3.1 模型簡化

通過FLAC3D數(shù)值模擬的方法研究煤礦充填規(guī)律，以該礦開采工作面91301工作面為例，進(jìn)行模型抽像化，煤層厚度取平均值2m，由于該工作面傾角不大，近水平開采，為簡化計算，設(shè)置煤層傾角為0°。

3.2 模擬工況

本文以常規(guī)垮落法與固體充填開采對比，研究充填開采變形規(guī)律。因此建立傳統(tǒng)垮落法及固體充填開采兩種模型。根據(jù)巖層、煤層以及充填體的物理特性，選取不同的模型，具體如下表。模型尺寸=600×1600×1700，建立的三維模型見圖1所示。

表3 不同地質(zhì)及模型

圖1 煤礦固體充填開采工作面數(shù)值模型

校準(zhǔn)流程如圖2所示。

3.3 數(shù)值分析結(jié)果

（1）上覆巖層沉陷特點(diǎn)

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果分析圖3可知固體充填過程中不同位置巖層沉陷情況。工作面推進(jìn)0～240m過程中，下沉值達(dá)到100mm的區(qū)域逐漸增大，工作面推進(jìn)到200多米時，地表下沉值均超過100mm，頂板最大下沉值達(dá)到589mm。剩余兩期開采過程中，從開切眼位置到推進(jìn)160m的范圍下沉均達(dá)到100mm，固體充填壓縮率不超過22%，在可控范圍之內(nèi)。

圖2 參數(shù)選取流程圖

圖3 充填開采數(shù)值模擬不同推進(jìn)位置下沉圖

隨著工作面的不斷推進(jìn)，頂板最大沉陷區(qū)域逐漸移向工作面推進(jìn)位置，而地表最大沉陷區(qū)域并沒有出現(xiàn)過度偏移的情況，該結(jié)果表明充填體已被壓實(shí)。

（2）地表移動變形特征

根據(jù)推進(jìn)過程中不同位置地表下沉情況圖可以得出，隨著工作面的推進(jìn)，地表下沉值及范圍均不斷增大。工作面剛推進(jìn)過程中，由于上覆巖層受到采動影響小，地表受影響不大，下沉曲線偏向推進(jìn)方向移動；隨著工作面的不斷推進(jìn)，沉陷曲線先下降，到達(dá)最大值后對稱上升，呈現(xiàn)拋物線形態(tài)。

圖4 工作面推進(jìn)過程中下沉情況

4 結(jié)論

對于煤礦“三下”開采（水體下、建筑物下、鐵路下特殊開采技術(shù)），采空區(qū)充填是一種有效的方法。采用該方法可以大大提高煤礦開采的安全性，同時開采率也可以得到提高，對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)也有積極的意義，并且常規(guī)的壓煤、煤矸石占用空間等問題也得以解決，因此充填開采有著很好效果。