膏體充填采煤地表巖移規(guī)律研究

杜朝陽, 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.河南工程學院資源與安全工程學院,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、有效控制采場地壓、提高資源采出率等優(yōu)點在礦山應用越來越廣泛[1],因此許多專家對此進行了相關研究。非均布載荷作用下充填頂板巖層連續(xù)彎曲力學模型、長壁掘巷充填開采采場力學模型、充填采煤巖層移動的力學模型、煤柱-頂板力學模型等均被提出并進行工業(yè)應用,應用效果良好。

黃慶享 等[2]基于“上行裂隙”和“下行裂隙”對隔水巖組穩(wěn)定性的影響,建立了2個充填條帶的非水平五跨連續(xù)梁力學模型,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頂板運移規(guī)律及覆巖穩(wěn)定性影響因素,得到充填開采時巷道礦壓顯現(xiàn)不明顯。李楊楊 等[5]運用相似試驗研究了岱莊煤礦充填工作面覆巖運動規(guī)律與充填體受壓變形過程,模擬結果與現(xiàn)場實測吻合。王炯 等[6]結合花園煤礦充填開采實測數(shù)據分析了地表靜、動態(tài)移動變形規(guī)律,得出回采過程中基本不存在傳統(tǒng)垮落法開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)場應用表明當采區(qū)充填率80%、煤柱留寬90 m時,支架壓力分布平衡,村莊影響輕微。郭忠平 等[8]運用建立的充填體和上覆矩形薄板系統(tǒng)力學模型,得到基本頂巖板最大下沉量為8.73 cm,與模擬結果吻合。

綜上所述,許多專家從理論分析模型、相似試驗及相關影響因素等方面進行了研究。為獲得充填采煤應用時充填和采煤的最佳配合關系,本文以某礦工作面為試驗對象,利用FLAC3D模擬對長壁面充填采場覆巖離層、位移場和應力場的演化規(guī)律進行研究,研究成果可為現(xiàn)場實測、數(shù)據分析和覆巖沉陷控制提供基礎和理論依據。

1 工程概況

試驗礦井設計生產能力為300 萬t/a,煤田規(guī)格為13.5 km×3.7 km,傾角為3°～15°,井田范圍內次一級褶曲、斷層構造發(fā)育,是以底板溶蝕裂隙充水為主、水文地質偏復雜的巖溶充水礦床。試驗對象所在煤層采深325.6 m,開采充填煤層為一1煤層,厚度為1.09 m。近水平煤層開采。

2 FLAC3D軟件應用

2.1 巷道圍巖巖體本構模型選擇

巷道圍巖屬于彈塑性材料,本構模型采用理想彈塑性本構模型。本次對巷道圍巖巖體采用莫爾-庫侖屈服準則[9-10]。

fs=(σ1-σ3)-2ccosφ-(σ1+σ3)sinφ

(1)

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

2.2 煤體本構模型選擇

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

(2)

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

3 計算模型設計

3.1 模型設計原則

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

1)影響采場圍巖變形破壞的因素很多,因此模型設計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)模型設計須反映出材料的物理力學性態(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)模型設計須考慮邊界效應,選擇適當?shù)倪吔鐥l件以消除邊界效應。

4)任何地下工程問題都具有時空特性,模型的設計應考慮巷道圍巖內應力應變的動態(tài)變化,充分考慮巷道開挖后現(xiàn)場的仿真效果。

3.2 模型設計參數(shù)

由于實際建模過程中不可能與工程實際完全吻合,需要進行簡化,確定模擬主要研究膠結充填采場覆巖沉陷控制參數(shù)對覆巖移動和礦壓的影響。本次模擬各巖層和煤層分布如表1所示。

表1 巖性參數(shù)

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

3.3 單元網格劃分

模型單位采用FLAC3D內置Brick單元,模型共計單元數(shù)69 000個,節(jié)點數(shù)目為74 307個。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,從開挖煤層底板至地表的所有巖層均建立出來,賦值于各巖層的容重,應力平衡后得應力分布。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 巖體力學參數(shù)

煤巖體力學參數(shù)由實測及同礦區(qū)同一巖層類比得到;計算所采用的力學參數(shù)如表2所示。層理的物理性質為:內摩擦角13°,法向剛度1.5 GPa,切向剛度0.5 GPa,粘聚力0.02 MPa。

表2 巖體物理力學性質

3.6 模擬方案

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

4 結果比較及分析

4.1 位移變化

通過后處理程序tecplot進行分析,取工作面中部沿推進方向的一個剖面y=185,得到了其位移變化如圖2(a)～(h)所示。為觀測沿工作面方向的位移,在所開挖充填步采空區(qū)中部取一剖面,開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,巖層移動隨開挖面積的增加而變得劇烈,充填體使得巖層移動量減小,充填開采與未充填開采巖層最大位移量相差0.25 m,未充填開采的地表最大下沉量為0.4 m,充填開采為0.12 m,相差3倍。

圖2 不同開挖和充填條件下的位移變化

圖2 (續(xù))

4.2 應力變化

圖3為開挖充填步szz應力分布規(guī)律。

圖3 不同開挖和充填條件下的應力分布

4.3 塑性區(qū)分布特征

圖4為不同開挖和充填條件下的塑性分布。

圖4 不同開挖和充填條件下的塑性分布

4.4 結果分析

圖5給出了不同開挖條件下巖層下沉量的變化規(guī)律。由此可知,開挖空間越大,巖層位移量越大。開挖至126 m、充填63 m時,巖層位移量與最大值相差較小,位移量不再增加,因此可認為,充填作業(yè)使巖層完全采動影響范圍減小,巖層位移量減小。由位移變化云圖可知,充填開采時,巖層的位移量沿推進方向變化呈現(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 不同開挖步的巖層位移量

從應力分布結果來看,應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開,位移大的地方應力較小,應力大的地方位移趨近于0,且孤立的充填體在圍巖發(fā)生變形的過程中,不是單獨承載,而是以整體承受載荷的形式出現(xiàn);從模擬過程來看,走向長度共計550 m,開挖步至少需要30步,每一步開挖,進行50%的條帶充填,從應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,膏體充填不是單個條帶形成承載結構,而是相鄰條帶失穩(wěn)從而使上覆巖層應力轉移到承載條帶上,形成了穩(wěn)定結構,也使工作面前方與后方支承壓力變化減小。

從塑性區(qū)破壞來看,充填采礦采場塑性區(qū)擴展呈跳躍性變化,其變化于垂直應力分布一致。相比未充填采礦而言,充填采礦的塑性區(qū)變化較小,上覆巖層運動的變化也相對緩和。

圖6 充填采礦垂直方向應力分布規(guī)律

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

圖7 充填開采地表位移變化 圖8 未充填開采地表位移變化

5 結束語

通過FLAC3D數(shù)值計算,分析了充填參數(shù)與材料參數(shù)對巖層移動的影響特點,得到了保證地表合理移動范圍的條帶寬度及采充比。地表沉陷數(shù)據觀測結果表明,與未充填開采相比,充填開采條件下地面建筑物損壞等級控制在Ⅰ級以內,損壞分類為極輕微,滿足地面建筑物和水體保護要求。

研究采用的泵送矸石充填開采技術體系,既達到地表沉陷小、實現(xiàn)“三下”煤炭開采的目的,又能夠實現(xiàn)大量固廢資源化利用,最大程度提高煤炭回收率,延長礦井服務年限,為泵送矸石充填采煤技術的全面實施提供參考。