建下煤體充填開(kāi)采數(shù)值模擬分析研究

朱子良 王雁冰 薛華俊

(1．福樂(lè)定工業(yè)有限責(zé)任公司，安徽 淮北 235025; 2．中國(guó)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(duì)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?jiǎn)栴}。楊莊煤礦擬采用充填開(kāi)采法對(duì)Ⅲ64采區(qū)煤體進(jìn)行矸石充填開(kāi)采，從而有效控制地表沉降和減輕煤層開(kāi)采對(duì)地面建筑物的威脅，實(shí)現(xiàn)煤炭資源綠色安全開(kāi)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(shí)，把它當(dāng)作水平煤層進(jìn)行設(shè)計(jì)。FLAC3D模擬模型大小的設(shè)計(jì)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(guò)大，計(jì)算速度太慢，模型范圍過(guò)小，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)實(shí)情況差別太大，不符合實(shí)際情況，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不具有指導(dǎo)意義。故FLAC3D初始模型大小的設(shè)計(jì)非常重要。為了更清晰地分析煤層及頂?shù)装鍛?yīng)力，整個(gè)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(hù)，所以在模型力學(xué)參數(shù)的設(shè)置上進(jìn)行了適當(dāng)修正加強(qiáng)。綜上所述，為了與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況盡可能一致的同時(shí)考慮到建模的方便及合理，模型共劃分為54 000個(gè)單元，60 016個(gè)節(jié)點(diǎn)，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(gè)模型的長(zhǎng)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(chǎng)實(shí)際情況，并保證模擬的真實(shí)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(gè)，并按需要設(shè)置了一定的寬度。在保證計(jì)算精度的前提下，為節(jié)省單元，提高模型的運(yùn)算速度，按區(qū)域需要來(lái)考慮，對(duì)重點(diǎn)研究區(qū)域可以進(jìn)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(jìn)行研究探討，目的就是為了消除模型前后邊界對(duì)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(gè)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(gè)邊界上同時(shí)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(gè)側(cè)面和Y方向的兩個(gè)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(kāi)采FLAC3D數(shù)值模擬研究

矸石充填巷式開(kāi)采FLAC3D數(shù)值模擬研究的目的主要有三個(gè)，分別為充填矸石對(duì)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(duì)這三項(xiàng)研究?jī)?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(kāi)挖巷道造成的應(yīng)力集中使得煤柱和覆巖在同一個(gè)截面上各個(gè)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(jiǎn)化起見(jiàn)，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(lái)分析充填矸石對(duì)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(lái)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(lái)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(kāi)采巷道采用矸石進(jìn)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(duì)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(dòng)壓應(yīng)力構(gòu)成)，對(duì)隔離煤柱承載能力的增強(qiáng)和自身強(qiáng)度的提高具有很大的作用。矸石對(duì)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(duì)因巷道開(kāi)挖造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象的減小具有積極作用。通過(guò)FLAC3D軟件對(duì)不采用矸石充填和采用矸石進(jìn)行充填的巷道(這里開(kāi)采巷道寬度設(shè)置為5 m，隔離煤柱寬度設(shè)置為10 m)進(jìn)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(duì)照表 MPa

從表1可以看出，在未用矸石充填的巷式開(kāi)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(jìn)行充填的開(kāi)采巷道中，三項(xiàng)應(yīng)力指標(biāo)分別為 3 MPa，13 MPa，4．43 MPa。可見(jiàn)，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(kāi)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(duì)比分析可以明顯看出，圖3中的巷道由于未用矸石進(jìn)行充填，在巷道頂板、底板的很大范圍內(nèi)和隔離煤柱的過(guò)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(duì)開(kāi)采巷道進(jìn)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(shuō)明模型設(shè)置的巷道開(kāi)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(duì)覆巖和煤柱起到了保護(hù)作用。

圖3 未充填的巷式開(kāi)采巷道破壞區(qū)分布圖

圖4 矸石充填的巷式開(kāi)采巷道破壞區(qū)分布圖

5 結(jié)語(yǔ)

用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)楊莊煤礦3642采面Ⅲ64采區(qū)充填和不充填開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析比較，得出充填開(kāi)挖能很大程度上減小開(kāi)挖巷道上覆圍巖的下沉量和破壞，并為煤柱提供很強(qiáng)的側(cè)限作用，對(duì)控制地表沉降，減輕煤層開(kāi)采對(duì)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(shí)例［M］．北京:中國(guó)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(kāi)放式充填FLAC3D數(shù)值模擬應(yīng)用研究［J］．煤礦開(kāi)采，2011，16(1):4-7．

［3] 劉鵬亮．邢東礦充填巷式開(kāi)采數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(duì)控制巖層移動(dòng)的理論研究［J］．煤礦開(kāi)采，1991(2):29-32．