杜朝陽(yáng), 秦建錕, 魏丁一, 孫光中, 王公忠, 徐 星, 曹偉杰

1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦,河南 平頂山 467021 2.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十一礦,河南 平頂山 467000 3.河南工程學(xué)院資源與安全工程學(xué)院,河南 鄭州 451191

0 引言

充填采礦法由于能夠充分利用矸石、尾砂等固體廢棄物、有效控制采場(chǎng)地壓、提高資源采出率等優(yōu)點(diǎn)在礦山應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1],因此許多專家對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究。非均布載荷作用下充填頂板巖層連續(xù)彎曲力學(xué)模型、長(zhǎng)壁掘巷充填開(kāi)采采場(chǎng)力學(xué)模型、充填采煤巖層移動(dòng)的力學(xué)模型、煤柱-頂板力學(xué)模型等均被提出并進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用,應(yīng)用效果良好。

黃慶享 等[2]基于“上行裂隙”和“下行裂隙”對(duì)隔水巖組穩(wěn)定性的影響,建立了2個(gè)充填條帶的非水平五跨連續(xù)梁力學(xué)模型,得到充填位置、寬度、間隔寬度和隔充比是隔水巖組穩(wěn)定性的主要影響因素。趙兵朝 等[3]以沙曲礦4901工作面為背景,分析了不同類型、寬度、高度及強(qiáng)度充填體與煤柱下承載體的穩(wěn)定性。唐維軍 等[4]研究了許廠煤礦建筑物下煤柱充填回收時(shí)頂板運(yùn)移規(guī)律及覆巖穩(wěn)定性影響因素,得到充填開(kāi)采時(shí)巷道礦壓顯現(xiàn)不明顯。李楊楊 等[5]運(yùn)用相似試驗(yàn)研究了岱莊煤礦充填工作面覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律與充填體受壓變形過(guò)程,模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)吻合。王炯 等[6]結(jié)合花園煤礦充填開(kāi)采實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了地表靜、動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形規(guī)律,得出回采過(guò)程中基本不存在傳統(tǒng)垮落法開(kāi)采地表急劇下沉的活躍階段。黃寶柱 等[7]模擬了不同充填率和采留比條件下覆巖和煤柱變化規(guī)律,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明當(dāng)采區(qū)充填率80%、煤柱留寬90 m時(shí),支架壓力分布平衡,村莊影響輕微。郭忠平 等[8]運(yùn)用建立的充填體和上覆矩形薄板系統(tǒng)力學(xué)模型,得到基本頂巖板最大下沉量為8.73 cm,與模擬結(jié)果吻合。

綜上所述,許多專家從理論分析模型、相似試驗(yàn)及相關(guān)影響因素等方面進(jìn)行了研究。為獲得充填采煤應(yīng)用時(shí)充填和采煤的最佳配合關(guān)系,本文以某礦工作面為試驗(yàn)對(duì)象,利用FLAC3D模擬對(duì)長(zhǎng)壁面充填采場(chǎng)覆巖離層、位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的演化規(guī)律進(jìn)行研究,研究成果可為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、數(shù)據(jù)分析和覆巖沉陷控制提供基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

1 工程概況

試驗(yàn)礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為300 萬(wàn)t/a,煤田規(guī)格為13.5 km×3.7 km,傾角為3°～15°,井田范圍內(nèi)次一級(jí)褶曲、斷層構(gòu)造發(fā)育,是以底板溶蝕裂隙充水為主、水文地質(zhì)偏復(fù)雜的巖溶充水礦床。試驗(yàn)對(duì)象所在煤層采深325.6 m,開(kāi)采充填煤層為一1煤層,厚度為1.09 m。近水平煤層開(kāi)采。

2 FLAC3D軟件應(yīng)用

2.1 巷道圍巖巖體本構(gòu)模型選擇

巷道圍巖屬于彈塑性材料,本構(gòu)模型采用理想彈塑性本構(gòu)模型。本次對(duì)巷道圍巖巖體采用莫爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則[9-10]。

fs=(σ1-σ3)-2ccosφ-(σ1+σ3)sinφ

(1)

式中:σ1、σ3分別是最大和最小主應(yīng)力;c、φ分別為巷道圍巖巖體的粘結(jié)力和摩擦角。當(dāng)fs小于0時(shí),巷道圍巖巖體將發(fā)生剪切破壞。材料達(dá)到屈服極限后,在恒定應(yīng)力水平下產(chǎn)生塑性變形。拉應(yīng)力狀態(tài)下,如果拉應(yīng)力超過(guò)材料抗拉強(qiáng)度,材料將發(fā)生破壞。

2.2 煤體本構(gòu)模型選擇

應(yīng)變軟化模型用于模擬煤體等非線性材料的軟化行為,模型的實(shí)現(xiàn)基于莫爾-庫(kù)侖模型中參數(shù)的變化,這些參數(shù)都是塑性偏應(yīng)變的函數(shù)。塑性剪切應(yīng)變由剪切硬化參數(shù)eps測(cè)量,其增量形式如下[9]。

(2)

在應(yīng)變軟化模型中可以把粘聚力、內(nèi)摩擦角定義為全應(yīng)變中的塑性應(yīng)變部分eps的函數(shù),在FLAC3D中調(diào)整為線性變化的參數(shù)。

3 計(jì)算模型設(shè)計(jì)

3.1 模型設(shè)計(jì)原則

建立的數(shù)學(xué)和力學(xué)模型是否合適是獲得準(zhǔn)確結(jié)果的前提條件,因此須遵循下列原則。

1)影響采場(chǎng)圍巖變形破壞的因素很多,因此模型設(shè)計(jì)必須突出巖層影響的主要因素,并盡可能考慮次要影響因素。

2)模型設(shè)計(jì)須反映出材料的物理力學(xué)性態(tài),如材料不均勻性、不連續(xù)性、各向異性、非線性、低抗拉等。

3)模型設(shè)計(jì)須考慮邊界效應(yīng),選擇適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件以消除邊界效應(yīng)。

4)任何地下工程問(wèn)題都具有時(shí)空特性,模型的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮巷道圍巖內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變的動(dòng)態(tài)變化,充分考慮巷道開(kāi)挖后現(xiàn)場(chǎng)的仿真效果。

3.2 模型設(shè)計(jì)參數(shù)

由于實(shí)際建模過(guò)程中不可能與工程實(shí)際完全吻合,需要進(jìn)行簡(jiǎn)化,確定模擬主要研究膠結(jié)充填采場(chǎng)覆巖沉陷控制參數(shù)對(duì)覆巖移動(dòng)和礦壓的影響。本次模擬各巖層和煤層分布如表1所示。

表1 巖性參數(shù)

模擬充填開(kāi)采煤層為一1煤層(充填開(kāi)采煤層),底板巖層至地表共計(jì)分為29層,模型總高度為模擬巖層的實(shí)際高度,為340.19 m。工作面長(zhǎng)度170 m,走向長(zhǎng)度550 m,模型寬為300 m、長(zhǎng)650 m。煤層傾角采用巖層平均角度,為12°。

3.3 單元網(wǎng)格劃分

模型單位采用FLAC3D內(nèi)置Brick單元,模型共計(jì)單元數(shù)69 000個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)目為74 307個(gè)。模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模擬物理模型

3.4 邊界條件和載荷模式

模型加載方式為先重力加載,從開(kāi)挖煤層底板至地表的所有巖層均建立出來(lái),賦值于各巖層的容重,應(yīng)力平衡后得應(yīng)力分布。模型四周邊界均施加水平位移約束,底邊界均施加水平位移及垂直位移約束,上部邊界為自由面。

3.5 巖體力學(xué)參數(shù)

煤巖體力學(xué)參數(shù)由實(shí)測(cè)及同礦區(qū)同一巖層類比得到;計(jì)算所采用的力學(xué)參數(shù)如表2所示。層理的物理性質(zhì)為:內(nèi)摩擦角13°,法向剛度1.5 GPa,切向剛度0.5 GPa,粘聚力0.02 MPa。

表2 巖體物理力學(xué)性質(zhì)

3.6 模擬方案

模擬采用全部充填與部分充填2種方案,由于工作面推進(jìn)方向距離為550 m,開(kāi)挖步距不易過(guò)小,充填采用開(kāi)挖步距為18 m,充填9 m,充填率為50%。不充填采用一次性開(kāi)挖,開(kāi)挖距離為空間為x(100～650 m)為模型走向方向,y(100～270 m)為工作面所在方向。

4 結(jié)果比較及分析

4.1 位移變化

通過(guò)后處理程序tecplot進(jìn)行分析,取工作面中部沿推進(jìn)方向的一個(gè)剖面y=185,得到了其位移變化如圖2(a)～(h)所示。為觀測(cè)沿工作面方向的位移,在所開(kāi)挖充填步采空區(qū)中部取一剖面,開(kāi)挖空間的中部平面記錄位移變化,如圖2(i)～(l)所示。

從位移變化云圖及矢量圖可以看出,巖層移動(dòng)隨開(kāi)挖面積的增加而變得劇烈,充填體使得巖層移動(dòng)量減小,充填開(kāi)采與未充填開(kāi)采巖層最大位移量相差0.25 m,未充填開(kāi)采的地表最大下沉量為0.4 m,充填開(kāi)采為0.12 m,相差3倍。

圖2 不同開(kāi)挖和充填條件下的位移變化

圖2 (續(xù))

4.2 應(yīng)力變化

圖3為開(kāi)挖充填步szz應(yīng)力分布規(guī)律。

圖3 不同開(kāi)挖和充填條件下的應(yīng)力分布

4.3 塑性區(qū)分布特征

圖4為不同開(kāi)挖和充填條件下的塑性分布。

圖4 不同開(kāi)挖和充填條件下的塑性分布

4.4 結(jié)果分析

圖5給出了不同開(kāi)挖條件下巖層下沉量的變化規(guī)律。由此可知,開(kāi)挖空間越大,巖層位移量越大。開(kāi)挖至126 m、充填63 m時(shí),巖層位移量與最大值相差較小,位移量不再增加,因此可認(rèn)為,充填作業(yè)使巖層完全采動(dòng)影響范圍減小,巖層位移量減小。由位移變化云圖可知,充填開(kāi)采時(shí),巖層的位移量沿推進(jìn)方向變化呈現(xiàn)跳躍性的變化,在充填體區(qū)域,位移量減小;在未充填區(qū)域,位移量較大。

圖5 不同開(kāi)挖步的巖層位移量

從應(yīng)力分布結(jié)果來(lái)看,應(yīng)力分布隨充填范圍的增加,支承壓力呈現(xiàn)跳躍性變化,與位移變化的跳躍步恰好錯(cuò)開(kāi),位移大的地方應(yīng)力較小,應(yīng)力大的地方位移趨近于0,且孤立的充填體在圍巖發(fā)生變形的過(guò)程中,不是單獨(dú)承載,而是以整體承受載荷的形式出現(xiàn);從模擬過(guò)程來(lái)看,走向長(zhǎng)度共計(jì)550 m,開(kāi)挖步至少需要30步,每一步開(kāi)挖,進(jìn)行50%的條帶充填,從應(yīng)力變化云圖中可知形成了承載體,如圖6所示。

從圖6可以看出,膏體充填不是單個(gè)條帶形成承載結(jié)構(gòu),而是相鄰條帶失穩(wěn)從而使上覆巖層應(yīng)力轉(zhuǎn)移到承載條帶上,形成了穩(wěn)定結(jié)構(gòu),也使工作面前方與后方支承壓力變化減小。

從塑性區(qū)破壞來(lái)看,充填采礦采場(chǎng)塑性區(qū)擴(kuò)展呈跳躍性變化,其變化于垂直應(yīng)力分布一致。相比未充填采礦而言,充填采礦的塑性區(qū)變化較小,上覆巖層運(yùn)動(dòng)的變化也相對(duì)緩和。

圖6 充填采礦垂直方向應(yīng)力分布規(guī)律

圖7和圖8給出了充填開(kāi)采與未充填開(kāi)采其地表變化情況。從圖中可以看出,充填開(kāi)采地表變形量較小,且不出現(xiàn)突變的變形,變形曲率變化較緩和;而未充填開(kāi)采時(shí),地表變形量較大,且出現(xiàn)急劇變化。

圖7 充填開(kāi)采地表位移變化 圖8 未充填開(kāi)采地表位移變化

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)FLAC3D數(shù)值計(jì)算,分析了充填參數(shù)與材料參數(shù)對(duì)巖層移動(dòng)的影響特點(diǎn),得到了保證地表合理移動(dòng)范圍的條帶寬度及采充比。地表沉陷數(shù)據(jù)觀測(cè)結(jié)果表明,與未充填開(kāi)采相比,充填開(kāi)采條件下地面建筑物損壞等級(jí)控制在Ⅰ級(jí)以內(nèi),損壞分類為極輕微,滿足地面建筑物和水體保護(hù)要求。

研究采用的泵送矸石充填開(kāi)采技術(shù)體系,既達(dá)到地表沉陷小、實(shí)現(xiàn)“三下”煤炭開(kāi)采的目的,又能夠?qū)崿F(xiàn)大量固廢資源化利用,最大程度提高煤炭回收率,延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限,為泵送矸石充填采煤技術(shù)的全面實(shí)施提供參考。