基于PHASE2D 的充填開采工作面覆巖穩(wěn)定性研究

李鶴鶴 冀宇鑫 宋高峰

（北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100144）

隨著國家對生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重視，煤炭開采也越來越向著綠色開采、環(huán)保開采的方向發(fā)展[1-3]。充填開采技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對固體廢棄物（主要成分為煤矸石）進(jìn)行回填處理，減小廢棄物污染，做到保護(hù)生態(tài)環(huán)境，還可以實(shí)現(xiàn)有效控制巖層移動和減少頂板下沉[4-6]。綠色充填開采已成為綠色煤礦開采框架中的一個(gè)重要構(gòu)成部分[7-8]。

針對開采步距及開采厚度對充填開采的覆巖移動及巖層控制的影響，采用PHASE 2D 有限元軟件，分析充填開采不同開采步距及煤層厚度條件下工作面前方煤體塑性區(qū)、直接頂下沉量及巖層垂直位移變化規(guī)律，為控制充填開采工作面覆巖移動提供依據(jù)。

1 數(shù)值模型建立

1.1 工況概括

數(shù)值模擬以趙固二礦充填工作面為工程背景，研究不同開采步距及開采厚度條件下長壁充填開采工作面前方煤體塑性區(qū)、直接頂下沉量及巖層垂直位移演化規(guī)律。充填工作面傾斜長度200 m，走向長度2000 m，煤層厚度4 m 左右，煤層平均傾角5°，為近水平煤層。煤體內(nèi)生裂隙發(fā)育，煤質(zhì)堅(jiān)硬。

1.2 模型介紹

運(yùn)用PHASE 2D 有限元軟件建立數(shù)值模型，模型平面形狀為長方形，模型水平方向長400 m，垂直方向高100 m。模型左、右邊界施加水平方向鏈桿約束，上部邊界施加等效應(yīng)力，下部邊界為施加垂直向上鏈桿約束。建立的數(shù)值模型中總共包括18 120 個(gè)單元，35 815 個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型開采范圍為100～300 m，即工作面推進(jìn)了200 m。模擬煤層深度為270 m，煤層厚度為3 m，左右兩側(cè)各留100 m煤柱，煤層底部距離模型底端30 m。由于模型中僅模擬了煤層上方70 m 厚的巖層，故在模型頂部施加了5.5 MPa 的補(bǔ)償應(yīng)力，以模擬模型上方200 m厚巖層的重量。模擬研究不同開采步距及煤層厚度條件下的圍巖穩(wěn)定性情況，其中開采步距分別為1 m、3 m、5 m 共三個(gè)方案，煤層開采高度分別為3 m、4 m、5 m 共三個(gè)方案。

模型的地層結(jié)構(gòu)從上到下依次為粉砂巖、粗砂巖、細(xì)粉砂巖、泥巖、煤層、泥巖、粉砂巖、石灰?guī)r。模型采用霍克-布朗強(qiáng)度準(zhǔn)則，各個(gè)巖層的煤巖體參數(shù)見表1，其中，v為泊松比；σci為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；GSI 為地質(zhì)強(qiáng)度系數(shù)；mi為巖石常數(shù)；mb為巖石折減系數(shù)；m、α為巖體常數(shù)；Em為彈性模量，MPa。

表1 煤巖霍克-布朗強(qiáng)度參數(shù)

2 覆巖移動及采場應(yīng)力分布規(guī)律

2.1 開采步距

2.1.1 工作面前方塑性區(qū)

模型工作面推進(jìn)200 m 后，工作面前方塑性區(qū)如圖1 所示。由圖可以看出，工作面前方煤體塑性區(qū)呈現(xiàn)出上部寬、下部窄的特征。當(dāng)開采步距為1 m 時(shí)，工作面前方塑性區(qū)寬度為2.965 m；當(dāng)開采步距為3 m 時(shí)，工作面前方塑性區(qū)寬度為2.944 m；當(dāng)開采步距為5 m 時(shí)，工作面前方塑性區(qū)為2.864 m。因而，隨著開采步距的增大，工作面前方塑性區(qū)略微減小，特別是當(dāng)工作面開采步距較小的條件下。

圖1 工作面前方煤體塑性區(qū)

2.1.2 直接頂下沉量

模型工作面推進(jìn)200 m 后，工作面前、后方直接頂下沉量如圖2。由圖可以看出，在工作面前方距離工作面距離越遠(yuǎn)，直接頂下沉量表現(xiàn)為逐漸減小，在工作面后方距離工作面距離越遠(yuǎn)，直接頂下沉量表現(xiàn)為逐漸增大。當(dāng)開采步距為1 m 時(shí)，工作面直接頂下沉量最大值34.3 mm；當(dāng)開采步距為3 m 時(shí)，工作面直接頂下沉量最大值為32.5 mm；當(dāng)開采步距為5 m 時(shí)，工作面直接頂下沉量最大值為28.0 mm。開采步距由1 m 增至3 m，直接頂下沉量略微減小，開采步距由3 m 增至5 m，直接頂下沉量減小幅度進(jìn)一步增大。因此，隨著開采步距的增大，直接頂下沉量表現(xiàn)為逐漸減小，特別是開采步距由3 m 增大為5 m 時(shí)，直接頂下沉量最大值減小幅度明顯，降幅達(dá)到18%。

圖2 不同開采步距直接頂下沉量

2.1.3 巖層垂直位移

模型工作面推進(jìn)200 m后，巖層垂直位移如圖3。可以看出，巖層垂直位移表現(xiàn)為兩端小、中間大的特征，巖層最大垂直位移集中在中間位置。當(dāng)開采步距為1 m 時(shí)，巖層垂直位移最大值為75 mm；當(dāng)開采步距為3 m 時(shí)，巖層垂直位移最大值為69 mm；當(dāng)開采步距為5 m 時(shí)，巖層垂直位移最大值為61 mm。由此可以看出，隨著開采步距的增大，巖層垂直位移不斷減小。

圖3 不同開采步距覆巖垂直位移

2.2 煤層厚度

2.2.1 煤體塑性區(qū)

模型工作面推進(jìn)200 m 后，工作面前方塑性區(qū)如圖4 所示。可以看出，當(dāng)煤層開采厚度為3 m 時(shí)，工作面前方塑性區(qū)寬度為2.965 m；當(dāng)煤層開采厚度為4 m 時(shí)，工作面前方塑性區(qū)寬度為4.341 m；當(dāng)煤層開采厚度為5 m 時(shí)，工作面前方塑性區(qū)寬度為5.302 m。其中煤層開采厚度由3 m 增至4 m 后，工作面前方煤體塑性區(qū)增大了46%；煤層開采厚度由4 m 增至5 m 后，工作面前方煤體塑性區(qū)增大了22%。由此可以看出，工作面前方煤體塑性區(qū)寬度隨著煤層開采厚度的增大而逐漸增大，工作面塑性區(qū)的增大，發(fā)生煤壁片幫的概率會增大。

圖4 工作面前方煤體塑性區(qū)

2.2.2 直接頂下沉量

模型推進(jìn)200 m 后，直接頂下沉量如圖5 所示。從工作面后方至工作面前方，直接頂下沉量不斷減小且在工作面前方逐漸趨近于0。當(dāng)煤層開采厚度為3 m、4 m、5 m 時(shí)，對應(yīng)直接頂下沉量最大值分別為34.3 mm、39.6 mm、44.3 mm。其中煤層開采厚度由3 m 增至4 m 后，直接頂下沉量最大值增大了15%；煤層開采厚度由4 m 增至5 m 后，直接頂下沉量最大值增大了12%。煤層開采步距由3 m 增至4 m 后增大幅度比煤層開采步距由4 m 增至5 m后增大幅度略大。隨著開采厚度的增大，直接頂下沉量不斷增大，由于直接頂?shù)南鲁習(xí)?dǎo)致工作面煤壁壓縮，因此隨著工作面開采高度的增大和頂板下沉量的增大，發(fā)生煤壁片幫災(zāi)害事故的風(fēng)險(xiǎn)也顯著增大，工作面圍巖穩(wěn)定性降低。

圖5 不同煤層厚度直接頂下沉量

2.2.3 巖層垂直位移

模型推進(jìn)200 m 后，巖層垂直位移曲線如圖6所示。巖層垂直位移最大值位于中間位置，兩端巖層垂直位移趨近于0。當(dāng)煤層厚度為3 m 時(shí)，巖層垂直位移最大值為75 mm；當(dāng)煤層厚度為4 m 時(shí)，巖層垂直位移最大值為85 mm；當(dāng)煤層厚度為5 m時(shí)，巖層垂直位移最大值為94 mm。由此可以看出，隨著煤層厚度的增加，巖層垂直位移最大值表現(xiàn)為逐漸增大。煤層厚度由3 m 增大至4 m 時(shí)，巖層垂直位移最大值增大10 mm；煤層厚度由4 m 增大至5 m 時(shí)，巖層垂直位移最大值增大9 mm。隨著開采高度的增大，巖層垂直位移增大幅度略微減小，適當(dāng)降低開采高度能夠提高圍巖穩(wěn)定性。

圖6 不同煤層厚度垂直位移

3 結(jié)論

（1）開采步距由3 m 增至5 m 后，工作面前方煤體塑性區(qū)從2.965 m 降至2.864 m，直接頂下沉量減小18%，巖層垂直位移最大值減小14 mm。增大開采步距，可以提高圍巖穩(wěn)定性及降低工作面前方煤壁發(fā)生大面積片幫的概率。

（2）煤層開采厚度由3 m 增至5 m 后，工作面前方煤體塑性區(qū)增大了79%，直接頂下沉量最大值由34.3 mm 增至44.3 mm，巖層垂直位移最大值增大了25%，增大煤層開采高度對巖層垂直位移和工作面前方煤體塑性區(qū)影響相對較大。隨著煤層開采高度的增加，工作面前方煤壁和圍巖穩(wěn)定性有所降低。

（3）開采步距、煤層厚度都是影響覆巖移動及采場應(yīng)力分布的因素，合理設(shè)置兩個(gè)因素，可以有效控制最終地表允許變形量，增大開采步距、減小煤層厚度可以有效控制覆巖移動，提高圍巖穩(wěn)定性。