充填開采對地表沉陷影響因素的數(shù)值模擬

邢宇祺 寧建國 劉軍輝 許元凱 王永慶 袁國棟

(山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院)

充填開采對地表沉陷影響因素的數(shù)值模擬

邢宇祺 寧建國 劉軍輝 許元凱 王永慶 袁國棟

(山東科技大學(xué)礦業(yè)與安全工程學(xué)院)

充填開采對于解放“三下”煤炭資源具有重要意義，是實(shí)現(xiàn)煤炭資源綠色開采的重要途徑。充填體強(qiáng)度和采空區(qū)充填率是地表沉陷的直接影響因素，為此，以平頂山十二礦CT101充填工作面為研究對象，設(shè)計了3種不同強(qiáng)度的充填體分別對應(yīng)5種不同采空區(qū)充填率的充填開采方案。通過數(shù)值模擬分析了在不同強(qiáng)度充填體和采空區(qū)充填率條件下的地表沉陷規(guī)律，為充填開采中地表沉陷控制和充填體強(qiáng)度、采空區(qū)充填率等參數(shù)的確定提供依據(jù)。

充填開采 充填體強(qiáng)度 采空區(qū)充填率 地表沉陷 數(shù)值模擬

目前，我國“三下”壓煤量已接近14億t，其中建筑物下壓煤9.5億t[1-3]，因此解放“三下”壓覆的煤炭資源已成為亟待解決的問題。為解決充填開采面臨的理論、技術(shù)問題，解放并回收“三下”煤炭資源，我國學(xué)者進(jìn)行了大量研究，成果豐碩[4-8]?；贔LAC3D軟件[9]，以平頂山十二礦CT101充填工作面為例，研究在不同充填體強(qiáng)度及采空區(qū)充填率條件下的地表沉陷規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

十二礦井田位于平頂山礦區(qū)東部，北依馬棚山，南臨湛河，瀕近沙河，東西南三面地勢平坦，總體屬剝蝕殘余丘陵地貌單元。平頂山礦區(qū)地層自老至新分別為太古界太華群、上元古界震旦系、下古生界寒武系、上古生界石炭系、二疊系，中生界三疊系及新生界第三、四系，區(qū)內(nèi)缺失奧陶系—中下石炭系地層。該井田屬石炭、二疊系含煤巖系，CT101充填工作面位于大型建筑群下，為保證建筑物不受損害，該工作面采用固體充填開采。該井田主采煤層為9#煤層，煤層厚2.6～3.4 m，平均厚3 m，平均埋深360 m，煤層傾角3°～6°，屬近水平煤層。

2 模型構(gòu)建

2.1 模型參數(shù)選取

根據(jù)井田地質(zhì)資料，確定的煤層覆巖物理力學(xué)參數(shù)見表1。

采用FLAC3D軟件進(jìn)行計算，確定模型尺寸為800 m×400 m×390 m，工作面走向長600 m，傾向長200 m。充填體特征參數(shù)見表2。本研究共設(shè)計了5種充填方案進(jìn)行模擬充填開采，各方案的采空區(qū)充填率分別為60%，75%，80%，85%，95%。低強(qiáng)度充填體參數(shù)參考矸石充填體強(qiáng)度，高強(qiáng)度充填體參數(shù)參考膏體材料強(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)度和剛度[10-11]。

表1 煤層物理力學(xué)參數(shù)

表2 充填體參數(shù)

2.2 計算模型

基于FLAC3D軟件構(gòu)建的計算模型如圖1所示。

(1)模型假設(shè)。①同一巖土層視為一個完全的彈塑性體；②各巖土層中均不含夾薄層；③忽略斷層等地質(zhì)構(gòu)造和地下水對采區(qū)的影響；④模擬充填工作面視為規(guī)則的四邊形。

(2)模型邊界條件和初始條件。①煤層走向方向?yàn)閤方向，在模型走向方向兩側(cè)施加x方向的應(yīng)力；②煤層傾向方向?yàn)閥方向，在模型傾向方向兩側(cè)施加y方向的應(yīng)力；③模型底部邊界固定，頂部為自由邊界；④在實(shí)施充填開采前模型首先達(dá)到初始平衡狀態(tài)，獲得初始地應(yīng)力。

圖1 充填開采工作面數(shù)值模擬計算模型

3 數(shù)值模擬結(jié)果

FLAC3D計算模型數(shù)值模擬結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 充填體強(qiáng)度等級對地表沉陷的影響

由圖2可知：充填體強(qiáng)度等級與地表最大沉陷值呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，充填體強(qiáng)度等級越高充填率對地表最大沉陷值的影響越大，因此在同等上覆巖層重力的作用下，高強(qiáng)度充填體壓縮變形量較低強(qiáng)度充填體小，對地表沉陷的控制效果較好。

圖3 采空區(qū)充填率對地表沉陷的影響

由圖3可知：充填開采時，隨著采空區(qū)充填率的增加，地表最大沉陷值呈下降趨勢；高強(qiáng)度充填體對地表沉陷的控制效果明顯優(yōu)于低強(qiáng)度充填體，表現(xiàn)為在上覆巖層作用下高強(qiáng)度充填體壓縮量較??；當(dāng)采空區(qū)充填率小于75%時，地表最大沉陷值隨充填率的增加迅速降低，當(dāng)采空區(qū)充填率大于75%時，地表最大沉陷值的變化隨充填率的增加趨于平緩。因此，應(yīng)根據(jù)地表沉陷控制要求選擇合適的充填體強(qiáng)度等級及采空區(qū)充填率，可見75%的采空區(qū)充填率是一個較優(yōu)的參考值。

4 結(jié) 語

以平頂山十二礦CT101充填工作面為例，構(gòu)建了FLAC3D數(shù)值模擬計算模型，對充填體強(qiáng)度及采空區(qū)充填率對開采沉陷的影響進(jìn)行了研究，得到了較理想的采空區(qū)充填率參數(shù)值(75%)，為提高井下充填效率提供參考。

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·記者在線·

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2015-08-03)

邢宇祺(1993—)，男，266590 山東省青島市黃島區(qū)前灣港路579號。