全采區(qū)連續(xù)充填開采巖層運移規(guī)律力學(xué)特性研究

摘要：當(dāng)多個充填工作面連續(xù)開采形成全采區(qū)充填開采后，充填區(qū)域頂板支撐條件發(fā)生變化，研究不同邊界條件下充填開采的力學(xué)模型，深入分析不同力學(xué)模型下頂板應(yīng)力場和位移場分布變化特征，揭示多工作面連續(xù)充填開采上覆巖層變形規(guī)律，為全采區(qū)充填開采提供有效理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：充填;連續(xù)開采;運移規(guī)律;數(shù)值模型;頂板載荷

以往對于煤礦開采上賦巖層運移規(guī)律研究，一般采用結(jié)構(gòu)力學(xué)和數(shù)值模擬兩種方法，但采用此兩種方法估算頂板載荷對某些問題的求解均具有一定的適用性，在處理充填支架的受力分析問題時與實際差距較大。本文嘗試將力學(xué)模型與數(shù)值模型相結(jié)合，將數(shù)值模擬得出的覆巖應(yīng)力曲線作為力學(xué)模型的頂板載荷q（x），為該類問題的分析提供一個新的解決思路。

一、全采區(qū)充填開采覆巖應(yīng)力分布數(shù)值模擬分析

（一）數(shù)值模型建立

建立有限元平面應(yīng)變數(shù)值模型，模型尺寸長×高為500×300m，上邊界施加5MPa地層載荷，下邊界固定，兩側(cè)邊界設(shè)置水平約束，模型自上而下概化為較軟巖層、關(guān)鍵層、軟弱巖層、基本頂、直接頂、煤層、底板等7個巖層，煤層走向開挖長度200m，充填體地基系數(shù)15MN/m3，充填支架限定變形量150mm，巖石本構(gòu)模型采用M-C模型。

（二）充填開采應(yīng)力場分布

工作面在350m處開切眼，自右向左開采、充填，推進至30m、100m、200m時的von Mises應(yīng)力場，通過von Mises應(yīng)力場云圖可以直觀地判斷出應(yīng)力擾動程度和范圍以及充填采動后擾動應(yīng)力場的演化過程。

由于充填體的支撐作用，隨工作面向前推進，工作面和開切眼造成的應(yīng)力擾動區(qū)被限制在很小的范圍內(nèi)，工作面后方充填區(qū)域的覆巖應(yīng)力場很快恢復(fù)平衡，對比垮落法開采，充填開采顯著減弱了對覆巖應(yīng)力場的擾動。將直接頂、基本頂下邊界和關(guān)鍵層中部的垂向應(yīng)力值提取出來，得到充填開采覆巖垂直應(yīng)力場的分布曲線，基本頂下邊界垂向應(yīng)力即為直接頂承受的載荷。

（三）充填開采結(jié)構(gòu)力學(xué)模型計算分析

由數(shù)值模型計算得出的直接頂載荷與直接頂自重之和即為所求q（x），將煤壁前方峰值點至充填體穩(wěn)定壓實區(qū)這一段的應(yīng)力曲線提取出來，增加直接頂自重引起的均布載荷0.125MPa，對數(shù)值模擬得到的計算應(yīng)力曲線進行擬合，并將數(shù)值模型坐標（190m～210m）與力學(xué)模型坐標（0m～60m）對應(yīng)，得到應(yīng)力分布擬合曲線和式（1）所示的數(shù)學(xué)擬合公式。

將直接頂覆巖載荷q（x）代入前述力學(xué)模型中進行計算，煤壁彈性地基系數(shù)取km=600MN/m3，充填體彈性地基系數(shù)kc=15MN/m3，頂板限定變形量150mm，分別對應(yīng)于充填體彈性地基系數(shù)為5MN/m3、10MN/m3、20MN/m3、25MN/m3以及充填體彈性地基系數(shù)15MN/m3時對應(yīng)于頂板限定變形量分別為50mm、100mm、200mm、250mm時的支座反力，得到不同q（x）條件下的“頂板—支架—充填體”三者相互作用力學(xué)關(guān)系，因最大值與最小值的差值較大。

充填開采對充填前頂板變形量有要求，不允許頂板產(chǎn)生較大的充前下沉，但根據(jù)圖7（b）的分析，當(dāng)對頂板充前下沉控制要求越高，充填支架需提供的支撐力更大，甚至超過當(dāng)前支架強度設(shè)計能力和裝備制造水平，因此應(yīng)將頂板的充前下沉控制在合理的范圍之內(nèi)，當(dāng)限定頂板變形100mm時，改變充填體彈性地基系數(shù)，得出基本頂?shù)膬?nèi)力（剪力和彎矩）分布曲線。

由式（2）計算基本頂破斷的臨界條件：

式中，F(xiàn)s為梁的截面剪力，Rs為梁的抗剪強度，A為截面面積，M為梁的彎矩，Rt為梁的抗拉強度，h為梁的厚度。

根據(jù)基本頂力學(xué)參數(shù)計算得出基本頂?shù)呐R界剪力條件為Fs max=192MN，臨界彎矩條件為M max=235.2MN·m，則在上述條件下基本頂保持連續(xù)的參數(shù)為充填體彈性地基系數(shù)不小于15MN/m3，根據(jù)該條件下充填支架與頂板相互作用關(guān)系，充填支架前頂梁支護強度不小于0.85MPa，后頂梁支護強度不小于0.92MPa。

從上述分析來看，由于頂板彎曲下沉?xí)r后頂梁位移量大于前頂梁，因此后頂梁承受著更多的載荷，而這一結(jié)果與目前某些煤礦充填支架實際設(shè)計有所差異，尤其對于5m以上大采高充填支架其后頂梁設(shè)計支護強度略低于前頂梁，后頂梁支護強度不足會造成更大的頂板充前下沉，同時造成前頂梁支護強度較大的富裕系數(shù)。因此根據(jù)本文的分析結(jié)果，充填支架后頂梁的設(shè)計支護強度應(yīng)大于前頂梁。

二、區(qū)域充填三維薄板模型及其力學(xué)分析

當(dāng)充填工作面連續(xù)開采形成區(qū)域后，根據(jù)密實充填效果不同，充填區(qū)域頂板形成的三維薄板邊界條件會形成的三種情形。

從應(yīng)變場分布看，頂板的沉降位移在中間最大，逐漸朝煤柱這邊減少;并且隨著回采推進，這個位移形態(tài)在傾向不會發(fā)生太大改變，但在走向推進方向，這個形態(tài)會隨著推進方向繼續(xù)前進，導(dǎo)致沉降范圍擴大。位移明顯受到彎矩M的影響，而M是由上覆巖層應(yīng)力q和充填體支撐力F組成的，所以把M控制在一定的范圍，沉降位移能得到有效控制。

從應(yīng)力場的分布規(guī)律看，存在兩種機制在競爭，一個是頂板中間的最大彎曲拉應(yīng)力，一個是頂板與煤柱結(jié)點的剪切力。隨著開采的推進，應(yīng)力場的分布形態(tài)在傾向不會發(fā)生太大變化。但在走向推進過程中，會隨著推進方向前進，應(yīng)力會出現(xiàn)周期變化，但這個周期變化受到彎矩M的影響，也就是M越小（即充填效果越好），這個周期波動的幅度也越小;如果充填效果差，彎矩M也大，那么周期來壓的變化幅度也大。

三、結(jié)論

通過全采區(qū)充填開采上賦巖石力學(xué)特性和數(shù)值模擬分析我們可以得到：

（1）以控制地表沉降和保護地表附著物為目標的充填開采，必須限制關(guān)鍵層變形，當(dāng)基本頂形成連續(xù)曲形梁以后，上覆巖層呈整體彎曲下沉變形狀態(tài)，關(guān)鍵層得到有效保護，從而避免地表大規(guī)模塌陷和建筑物的破壞，保護地下含水層和地面水系，實現(xiàn)煤炭生態(tài)保護性開采。

（2）首采面應(yīng)在工作面中間加強充填力度，并且煤柱附近也注意，防止切頂卸壓;但緊鄰的充填面，應(yīng)該在中間偏向臨近首采面的這一側(cè)加強充填，才能有效保證充填效果。對于下區(qū)段普通的開采工作，由于也呈現(xiàn)對稱性，所以控制好中間最大彎曲應(yīng)力處的充填效果。

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作者簡介：

李雷（1984-），男，河北邢臺人，冀中能源股份有限公司邢臺礦，碩士，安全工程師，主要從事建筑物下綜合機械化固體充填采煤技術(shù)研究與應(yīng)用及煤礦安全生產(chǎn)管理工作。