充填開采采場應(yīng)力變化的數(shù)值模擬分析

蘇嘉琦，黃厚旭

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070;2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)，土木與交通學(xué)院，遼寧阜新 123000)

0 緒論

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國國有煤礦的生產(chǎn)礦井“三下”壓煤達(dá)到13.79Gt，其中“建下”壓煤為9.468Gt，占總壓煤量的68.66%，因此解放“三下”壓煤已經(jīng)迫在眉睫。充填開采是解放“三下”壓煤并使煤炭行業(yè)步入綠色發(fā)展軌道的重要途徑。目前充填開采方法主要有:水砂充填、矸石充填、膏體和似膏體充填、高水充填等。各種充填方法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，水砂充填開采法系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高［1-2］;矸石充填雖然采出率可提高到65%，但不能有效控制地表沉降，最大地表下沉在0.5m以上，甚至達(dá)到1m以上［3-4］;膏體充填和似膏體充填開采方式，雖然控制地表沉降效果較好，但其充填系統(tǒng)初期投資和噸煤充填成本相對(duì)較高;高水膨脹材料早強(qiáng)快硬、微膨脹和較低的成本等特性可保證較高的采出率和較低的投入并有效控制地表沉降［5］，但其固結(jié)體能否長期保持穩(wěn)定，有待實(shí)踐的驗(yàn)證。所以，一方面各種充填開采方法有待進(jìn)一步研究和完善，另一方面應(yīng)根據(jù)對(duì)圍巖和地表的移動(dòng)變形特征的控制要求選擇合適的一種或幾種充填開采方法。本文基于Flac3D數(shù)值模擬，以阜礦集團(tuán)彩屯礦工業(yè)廣場保護(hù)煤柱充填開采為原型，通過改變充填體材料參數(shù)，研究了充填體特性不同時(shí)圍巖的應(yīng)力變化特征。

1 工程概況

彩屯礦位于遼寧省本溪市，本次開采的是工業(yè)廣場保護(hù)煤柱，為了保證廣場建筑物不受損害，通過可行性論證決定采取高水膨脹材料充填開采。本次開采采區(qū)分三個(gè)工作面(701、702、703)，其中，701和703分上下兩段，采區(qū)平均走向長750m，平均傾向長660m，工作面沿走向推進(jìn)。開采技術(shù)條件見表1。

表1 開采技術(shù)條件Table 1 Mining condition

2 充填材料

彩屯礦本次充填開采，充填材料為高水材料，由水(75%)、粉煤灰(20%)、膨脹劑(5%)組成。充填系統(tǒng)由制漿部分、漿液輸送部分、充填部分和控制部分組成，采用袋式充填。充填開采期間由實(shí)業(yè)公司礦壓監(jiān)測(cè)站進(jìn)行了礦壓監(jiān)測(cè)。

3 模型基本參數(shù)的選取及建立

3.1 計(jì)算基本參數(shù)選取

根據(jù)彩屯礦地質(zhì)資料，確定巖土層物理力學(xué)參數(shù)見表2。根據(jù)相關(guān)規(guī)范［3-4］，考慮該礦區(qū)地表移動(dòng)變形移動(dòng)角和邊界角等因素，確定模型走向長1440m，傾向長1350m，煤柱區(qū)走向長750m，傾向長660m。充填體特性見表3。本次共設(shè)計(jì)了三種充填方案:低強(qiáng)度充填、中強(qiáng)度充填、高強(qiáng)度充填，低強(qiáng)度充填體參數(shù)參考矸石充填體強(qiáng)度［4，8-9］，高強(qiáng)度充填體參數(shù)參考高水膨脹材料強(qiáng)度，中強(qiáng)度充填體參數(shù)取二者平均值，此處的強(qiáng)度指廣義強(qiáng)度包括強(qiáng)度和剛度。

表2 地層特性Table 2 Strata properties

表3 充填體特性Table 3 Properties of the backfilling body

3.2 計(jì)算模型的建立

本次模擬采用Flac3D軟件，選用彈塑性模型，屈服準(zhǔn)則為摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則。

即:τf=σtanφ +c;τf為抗剪強(qiáng)度，σ 為巖土體某點(diǎn)所受正應(yīng)力，φ為巖土體摩擦角，c為巖土體內(nèi)聚力。

3.3 模型假設(shè)

(1)同一巖土層為性質(zhì)均一的彈塑性體;

(2)當(dāng)巖土層中含夾薄層時(shí)仍視為一個(gè)巖土層;

(3)根據(jù)地質(zhì)條件分析，該采區(qū)不受斷層等地質(zhì)構(gòu)造和地下水的影響;

(4)將三個(gè)工作面簡化為規(guī)則的四邊形;

3.4 模型邊界條件和初始條件

(1)模型傾向?yàn)閤方向，對(duì)傾向兩側(cè)面施加x方向的應(yīng)力，以等效邊界約束和地應(yīng)力;

(2)模型走向?yàn)閥方向，對(duì)走向兩側(cè)面施加y方向的應(yīng)力，以等效邊界約束和地應(yīng)力;

(3)約束模型底面z方向的位移;

(4)在得到初始地應(yīng)力的基礎(chǔ)上實(shí)施開采充填工序。

最終得到Flac3D模型及其初始應(yīng)力如圖2所示，模型中含有單元179280個(gè)，節(jié)點(diǎn)189336個(gè)。

圖1 Flac3D模型Fig.1 Flac3Dmodel

4 模擬結(jié)果分析分析

4.1 充填體和圍巖應(yīng)力變化趨勢(shì)分析

充填開采過程中，在充填體和圍巖中布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)相應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)力。本次分析以走向剖面應(yīng)力分布為例。以下圖2～圖5反應(yīng)的分別是未充填時(shí)原巖中的豎向應(yīng)力;采用較低強(qiáng)度充填體充填后的豎向應(yīng)力;采用中強(qiáng)度充填體充填后的豎向應(yīng)力;采用較高強(qiáng)度充填體充填后的豎向應(yīng)力。在Flac3D中約定正應(yīng)力以拉為正，壓為負(fù)。

圖2 初始豎向應(yīng)力Fig.2 Primary vertical stress

如圖2所示，在未受開采擾動(dòng)的原巖中，豎向應(yīng)力全部為壓應(yīng)力從上至下依次增大且壓應(yīng)力的等值線基本為水平狀，這符合原巖中自重應(yīng)力從上至下依次增大分布的一般規(guī)律。而在圖3中由于受開采的影響，豎向應(yīng)力既有壓應(yīng)力又有拉應(yīng)力且其等值線不再以水平成層狀出現(xiàn)，在充填體附近豎向應(yīng)力的方向和大小變化較為劇烈。

圖3 低強(qiáng)度充填時(shí)巖層豎向應(yīng)力(走向剖面)Fig.3 Rock strata vertical stress of low strength backfilling mining(section in trending direction)

如圖3所示，當(dāng)采用的充填體強(qiáng)度低時(shí)，在充填體上方且距充填體一定高度的小區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了局部呈正三角狀的集中拉應(yīng)力區(qū)，在充填體的兩端應(yīng)力變化最為劇烈但此時(shí)的應(yīng)力均以壓應(yīng)力存在。說明當(dāng)充填體強(qiáng)度低時(shí)，上覆頂板仍然有因?yàn)閾隙冗^大而變形破壞的可能。

如圖4和5所示，隨著充填體強(qiáng)度的提高，充填體周圍豎向應(yīng)力變化劇烈的情況也逐漸趨于緩和且不再出現(xiàn)豎向拉應(yīng)力。

圖4 中強(qiáng)度充填時(shí)采場豎向應(yīng)力(走向剖面)Fig.4 Rock strata vertical stress of medium strength backfilling mining(section in trending direction)

圖5 高強(qiáng)度充填時(shí)采場豎向應(yīng)力(走向剖面)Fig.5 Rock stratum vertical stress of high strength backfilling mining(section in trending direction)

由以上的對(duì)比分析可以看出，隨著充填體強(qiáng)度的提高，充填體內(nèi)部豎向應(yīng)力逐漸增加，充填體下部及左右兩端豎向應(yīng)力變化逐漸緩和(這可以從充填體下部和周圍豎向應(yīng)力分層云圖的弧度變化看出來)。當(dāng)充填體強(qiáng)度很大時(shí)，在充填體周圍豎向應(yīng)力分層有逐漸恢復(fù)的趨勢(shì)，在圖5中這種趨勢(shì)已經(jīng)非常明顯?？梢圆孪肴绻涮铙w強(qiáng)度足夠大充填開采采場周圍的豎向應(yīng)力將恢復(fù)到原巖應(yīng)力狀況，此時(shí)充填開采對(duì)上覆巖層的影響逐漸減小，上覆巖層中的應(yīng)力情況幾乎可以保持在原巖應(yīng)力狀態(tài)，這意味著充填體強(qiáng)度足夠大時(shí)，地表僅僅出現(xiàn)微弱的下沉變形破壞完全可以忽略。

通過整理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到不同強(qiáng)度充填時(shí)的采場應(yīng)力曲線(圖6)。

圖6 不同強(qiáng)度充填時(shí)充填體和煤壁應(yīng)力Fig.6 Stress of backfilling body and coal wall with different backfilling body's strength

由上圖可知對(duì)于同一強(qiáng)度的充填體，充填體應(yīng)力小于煤壁應(yīng)力且小于原采場相應(yīng)位置的應(yīng)力，而煤壁應(yīng)力大于原采場相應(yīng)位置的應(yīng)力;當(dāng)充填體強(qiáng)度不同時(shí)，隨著充填體強(qiáng)度的提高，充填體中的應(yīng)力逐漸增加，而煤壁應(yīng)力逐漸減小。充填體和煤壁接觸面周圍應(yīng)力變化最劇烈，遠(yuǎn)離二者接觸面時(shí)無論是在充填體內(nèi)還是在煤壁內(nèi)應(yīng)力的大小都趨于定值，可認(rèn)為等于原巖應(yīng)力。顯然，充填體和煤壁共同承擔(dān)著由采動(dòng)引起的采場內(nèi)的過剩應(yīng)力?？陀^上存在一種理想強(qiáng)度的充填體在其自身的應(yīng)力小于屈服強(qiáng)度的前提下，使煤壁的應(yīng)力也不致過高，使采場內(nèi)應(yīng)力在水平方向上變化幅度足夠小。

4.2 充填體和圍巖應(yīng)力變化幅度的衡量

當(dāng)采場達(dá)到新平衡以后，用充填體內(nèi)部應(yīng)力(σc)除以煤壁應(yīng)力(σm)，表示采場應(yīng)力變異系數(shù)(Δσ)。以充填體壓縮率(Δm)為橫坐標(biāo)，以采場應(yīng)力變異系數(shù)為縱坐標(biāo)畫圖(圖7)。在同一地質(zhì)采礦條件下，采場應(yīng)力變異系數(shù)越接近1，表明采動(dòng)對(duì)采場應(yīng)力的影響越小，充填體壓縮率越小，表明充填體強(qiáng)度越高。

圖7 充填體壓縮率與采場應(yīng)力變異系數(shù)Fig.7 Compression ratio of backfilling body and stress variation coefficient in mining stress field

由圖7可知，隨著充填體強(qiáng)度的提高，充填體壓縮率逐漸降低，采場應(yīng)力變異系數(shù)逐漸接近于1，說明采動(dòng)對(duì)采場應(yīng)力的影響越來越小。客觀上，存在一種理想強(qiáng)度的充填體，其強(qiáng)度較大，壓縮率足夠低，從而使采動(dòng)對(duì)采場應(yīng)力的影響不會(huì)波及到與開采有影響的含水層，也不會(huì)波及到地表或使地表所受的影響在允許的范圍內(nèi)，這種理想強(qiáng)度的充填體將大大減小開采時(shí)候地表的沉降，同時(shí)因?yàn)楦矌r受影響較小所以含水層不容易破壞，對(duì)保水開采極為有利。

表4 充填體壓縮率與采場應(yīng)力變異系數(shù)Table 4 Compression ratio of backfilling body and stress variation coefficient in mining stress field

通過非線性插值，得到了充填體壓縮率與采場應(yīng)力變異系數(shù)的函數(shù)表達(dá)式(公式1)，并給出了相關(guān)系數(shù)的參考值。

式中:Δσ——采場應(yīng)力變異系數(shù);

Δm——充填體壓縮率，0.03＜Δm ＜0.33;

a、b、c、d——系數(shù)，經(jīng)過 MATLAB 軟件擬合后得到其參考值分別為-15.2315、14.87362、-4.96463、0.70596。

充填材料不同時(shí)，采動(dòng)對(duì)覆巖的影響程度不同。矸石充填時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度為27～30m［4］;膏體充填時(shí)，導(dǎo)水裂隙帶高度為2～4m［2］;高水膨脹材料充填時(shí)，一般不出現(xiàn)導(dǎo)水裂隙帶。為了便于評(píng)價(jià)采動(dòng)對(duì)采場應(yīng)力應(yīng)變的影響程度，根據(jù)不同采場應(yīng)力變異系數(shù)對(duì)應(yīng)的覆巖破壞程度并結(jié)合Δσ與Δm的曲線形態(tài)將采場應(yīng)力變異系數(shù)劃分為三種程度:Δσ＜Δσ1時(shí)為高度影響，Δσ1≤Δσ ＜ Δσ2時(shí)為中度影響，Δσ2≤Δσ時(shí)為低度影響。Δσ1和Δσ2需根據(jù)頂?shù)装遄冃位蚱茐某潭葘?duì)應(yīng)的采場應(yīng)力變異系數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步確定。

根據(jù)現(xiàn)場礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，煤壁應(yīng)力集中系數(shù)為1.32，充填體應(yīng)力集中系數(shù)為0.8。根據(jù)定義，Δσ可由充填體應(yīng)力集中系數(shù)除以煤壁應(yīng)力集中系數(shù)得到，即Δσ=0.6。不考慮底板鼓起的情況下，頂?shù)装蹇傄平?包括充填前頂板沉降和充填后充填體壓縮量)小于6%，而充填體壓縮率應(yīng)更小，對(duì)照?qǐng)D7此處可取Δm=5%，通過公式1計(jì)算得到Δσ=0.54，與現(xiàn)場監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致。此時(shí)采場內(nèi)只是直接頂下位巖層出現(xiàn)輕微的不發(fā)育的裂隙，未出現(xiàn)垮落現(xiàn)象，覆巖以彎曲下沉為主。但需要指出的是，公式1中的系數(shù)a、b、c、d是根據(jù)特定礦區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件擬合后的結(jié)果，會(huì)隨著地質(zhì)采礦條件的變化而變化，因此不同的礦區(qū)需根據(jù)礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

5 結(jié)論

(1)充填體和圍巖共同承擔(dān)采場過剩應(yīng)力，充填體承擔(dān)的過剩應(yīng)力越大圍巖承擔(dān)的過剩應(yīng)力就會(huì)越小，充填體承擔(dān)的應(yīng)力將隨著充填體強(qiáng)度的變大而增大。

(2)充填體強(qiáng)度越高，采場應(yīng)力變異系數(shù)越接近于1，采場應(yīng)力變化程度越小;

(3)充填體與圍巖接觸面周圍應(yīng)力變化最劇烈，在遠(yuǎn)離這一接觸面的充填體內(nèi)部和圍巖內(nèi)部應(yīng)力變化都趨于平緩趨于定值;

(4)充填體強(qiáng)度越高，越能減少對(duì)上覆巖層的擾動(dòng)和影響，因此為了減小對(duì)上覆巖層的影響及開采后的地表沉陷實(shí)現(xiàn)保水開采，應(yīng)盡量采用強(qiáng)度較高的充填體進(jìn)行充填;

(5)實(shí)踐中，應(yīng)注重進(jìn)行充填體和圍巖的礦壓監(jiān)測(cè)，以完善充填體壓縮率和采場應(yīng)力變異系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系式，使在改變充填體強(qiáng)度控制圍巖的變形破壞程度、減小地表的沉陷值、減少礦井水害、實(shí)現(xiàn)保水開采等方面更準(zhǔn)確有效。

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