基于FLAC3D對煤礦地下開采中冒落帶演變模擬研究

李科+朱杰勇+高秀

摘要：放頂煤采煤技術(shù)運用廣泛，但在開采推進(jìn)過程中，采空區(qū)會發(fā)生冒落現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生冒落時，采空區(qū)內(nèi)的空氣被迅速壓縮，在巷道中形成強(qiáng)大氣流，從而對井下人員造成危害。因此，要對發(fā)生冒落的工作面推進(jìn)方位進(jìn)行研究預(yù)測。本文運用FLAC3D軟件，提出一種模擬冒落帶演變的方法。以安家?guī)X井工2礦4207工作面為例，對冒落帶演變進(jìn)行了模擬，成功的得出了冒落帶演變規(guī)律。

關(guān)鍵詞：FLAC3D；冒落帶；模擬預(yù)測；地下開采

中圖分類號：TD82 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）30-0167-02

0引言

在煤礦進(jìn)行開采推進(jìn)時，采空區(qū)經(jīng)常會發(fā)生冒落現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生冒落時，垮落的巖塊會壓縮采空區(qū)內(nèi)的氣體，速度極快的氣流對井下人員造成危害。由此可見，預(yù)測冒落出現(xiàn)時工作面的推進(jìn)方位對確保井下人員的生命安全至關(guān)重要。

1冒落現(xiàn)象的產(chǎn)生原因與過程分析

1.1冒落現(xiàn)象的產(chǎn)生原因

隨著煤礦地下開采的不斷深入，采空區(qū)內(nèi)頂板巖層應(yīng)力平衡被打破，并逐漸形成了新的應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)巖體中自身的承載力小于新的應(yīng)力時，頂板巖層就會出現(xiàn)冒落現(xiàn)象。最初采空區(qū)覆巖體大多沿著破裂結(jié)構(gòu)面移動，隨之發(fā)生冒落。但工作面的深入推進(jìn)，采空區(qū)內(nèi)的冒落現(xiàn)象發(fā)生頻率不斷增加。當(dāng)巖體中冒落現(xiàn)象積累到一定的程度時，采空區(qū)兩端巖體所承受的剪應(yīng)力逐漸增大，巖體沿著剪切斷面滑移，發(fā)生大規(guī)模冒落。由于巖層的移動，巖層頂板的臨空面缺少支撐，臨空面附近的巖體發(fā)生了應(yīng)力重分布，采空區(qū)巖體將受到采空區(qū)四周巖體的擠壓作用力，上覆巖層中區(qū)域的應(yīng)力或增加，或減小，形成了增壓區(qū)與減壓區(qū)。

1.2過程分析

1.2.1工作面初次來壓

隨著工作面的推進(jìn)深入，采空區(qū)上方的巖層出現(xiàn)部分?jǐn)嗔熏F(xiàn)象，開始向采空區(qū)冒落，一般將首次出現(xiàn)的大規(guī)模冒落稱為初次冒落，垮落巖體使工作面承受了巨大的壓力，稱為工作面的初次來壓。初次來壓時，工作面的推進(jìn)方位距開切眼煤壁的距離1。稱為初次來壓步距，一般為25到30米。發(fā)生初次來壓時，煤壁會出現(xiàn)片幫，工作面支架受到了來自垮落巖體的壓力。因此工作面必須采取相應(yīng)的安全措施，如加強(qiáng)放定線的支護(hù)等。

1.2.2周期來壓

隨著采空區(qū)頂板巖層發(fā)生了初次垮落，工作面支架受到的壓力降低，但當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)時，采空區(qū)的頂板巖層在圍巖應(yīng)力與自身重力的作用下，新的冒落現(xiàn)象又會發(fā)生，工作面承受壓力增加。當(dāng)持續(xù)向前進(jìn)行開采作業(yè)時，采空區(qū)頂板巖層出現(xiàn)周期性的冒落，將此現(xiàn)象稱之為周期來壓。當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)兩次來壓現(xiàn)象時，間隔距離稱為周期來壓步距。周期性來壓步距一般為8到26米，受頂板巖層的厚度等影響。

2基于FLAC3D對安家?guī)X煤礦進(jìn)行實例模擬分析

2.1自然地理概況

安家?guī)X2號井工礦隸屬山西省朔州市，本礦區(qū)面積約為21平方千米。礦區(qū)運煤專線與山西各市相通，煤炭運輸十分便利。礦區(qū)的西北部地勢較高，東部地勢較低。礦區(qū)最高海拔為1527米，最低海拔為1213米。

2.2工程地質(zhì)概況

安家?guī)X2號井工礦田地貌為低山丘陵，地表水土流失嚴(yán)重，但無滑坡、泥石流等自然災(zāi)害。礦田北部有環(huán)狀陷落柱一個，礦區(qū)巖體屬中等質(zhì)量，煤層的頂板強(qiáng)度較高，穩(wěn)定性較好。綜合分析，井田的工程地質(zhì)條件比較復(fù)雜，屬工程地質(zhì)條件中等類型。

2.3計算參數(shù)

根據(jù)區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)報告確定了計算參數(shù)，并運用室內(nèi)試驗結(jié)果和工程類比法相結(jié)合的方法，獲得了區(qū)內(nèi)地層的計算參數(shù)（表1）。

2.4計算過程

4207工作面長2310m，寬420m，面積約97萬平方米。煤層的平均厚度為13m。煤層?xùn)|部埋藏深，西部埋深淺，大致約在120-250m的范圍內(nèi)，頂板的管理方式為全部垮落法，開采時自西向東開采。

2.4.1冒落裂隙帶判據(jù)及參數(shù)

2.4.2計算流程

選取理想彈塑性模型計算，莫爾一庫侖屈服準(zhǔn)則作為屈服準(zhǔn)則。開采過程使用分步開挖的方法，每次沿開采方向前進(jìn)40m，共開采80次。具體計算步驟如下：每計算100時步分析模型是否處于平衡狀態(tài)，如果達(dá)到平衡則繼續(xù)向前開采20m。若沒有平衡，則對頂板巖層做一次拉伸應(yīng)變的判定：當(dāng)單元的拉伸應(yīng)變t在2～25mm/m范圍內(nèi)，按照拉伸應(yīng)變t與損傷因子D的關(guān)系式折減E、c、φ；當(dāng)單元的拉伸應(yīng)變t大于25mm/m時，判定單元發(fā)生冒落現(xiàn)象，將其置入“冒落帶”組，并附上零模型，確定冒落帶的高度。當(dāng)冒落帶高度達(dá)到理論高度h時，將該單元置于“回填冒落帶”組，且將該組單元附上摩爾—庫倫模型，參數(shù)選取損傷因子為0.8時的力學(xué)參數(shù)，計算100時步。

3冒落規(guī)律

選取平行于開采方向的截面Y=7990觀察開采過程中采空區(qū)頂板巖層的冒落規(guī)律。當(dāng)工作面向前推進(jìn)了40米時，巖體開始出現(xiàn)裂隙，采空區(qū)發(fā)生冒落現(xiàn)象。當(dāng)工作面推進(jìn)到80米時，冒落帶發(fā)育高度為15米。工作面推進(jìn)到120米，冒落帶發(fā)育高度為36.7米，此時判定采空區(qū)被冒落巖塊充填完全，冒落暫時停止。隨后工作面繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)開采工作面推進(jìn)到160米時，頂板再次發(fā)生冒落現(xiàn)象，當(dāng)開采工作面推進(jìn)到200米時，冒落帶的高度再次達(dá)到36.7米，此時判定再次被冒落巖塊充填完全。

據(jù)圖1可知，工作面推進(jìn)到40～80，80～120，120～160等區(qū)域內(nèi)，煤層頂板發(fā)生冒落現(xiàn)象。當(dāng)工作面向前推進(jìn)40米到80米時，頂板會發(fā)生冒落現(xiàn)象，在出現(xiàn)冒落現(xiàn)象之后，再繼續(xù)推進(jìn)40米時，冒落帶高度達(dá)到26米，采空區(qū)就會被填充完全。裂隙帶高度在75米到105米之間。在礦區(qū)的西部，由于煤層埋藏淺，裂隙帶高度達(dá)到85米到125米，在礦區(qū)的中東部，煤層埋深，裂隙帶發(fā)育高度位于70到85米的范圍。和理論計算得到的結(jié)果差異不大。裂隙帶高度當(dāng)工作面推進(jìn)到310米時，達(dá)到最大，發(fā)育高度為110米，隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，裂隙帶不再繼續(xù)發(fā)展。

4結(jié)論

①討論了冒落發(fā)生的基本條件。探明了冒落是由于頂板巖體發(fā)生了拉伸破壞，而冒落的停止是由于垮落巖體完全充填采空區(qū)，給予頂板巖體強(qiáng)力支撐。②對冒落帶演變進(jìn)行了模擬研究。在明確了冒落發(fā)生的基本條件及破壞特征，本文提出了一種基于FLAC3D軟件對冒落帶演變進(jìn)行模擬的方法。對比過去的計算開采沉陷的模擬方法—工作面頂板巖體與煤層的分界面上添加接觸面單元，針對四種力學(xué)參數(shù)——粘聚力、泊松比、內(nèi)摩擦角、彈性模量，分別選取四種水平值，得到力學(xué)參數(shù)與地表最大沉降之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)本文所研究的模擬方法比過去的方法更為有效合理。endprint