基于采空區(qū)剛度演化的采場圍巖穩(wěn)定性分析*

張 楊,許廣輝,李鶴鶴,宋高峰

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

0 引言

煤炭資源在我國能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)著主體地位,在未來很長一段時間內(nèi),煤炭將仍然是我國的主體能源[1]。目前我國絕大多數(shù)煤礦采用垮落法處理采空區(qū),垮落法則是讓直接頂自行垮落或強制垮落到采空區(qū)[2]。由于上覆巖層的重量由采空區(qū)、液壓支架、工作面實體煤共同承擔(dān),當采空區(qū)剛度較大時,能夠承擔(dān)更多的上覆巖層重量,具有更高的穩(wěn)定性,因此不同的采空區(qū)剛度對工作面支承壓力分布及覆巖移動具有顯著的影響[3]。隨著工作面推進,采空區(qū)矸石不斷冒落并逐漸被壓實,因此采空區(qū)剛度是動態(tài)演化的。

許多學(xué)者通過數(shù)值模型對采空區(qū)進行了模擬。例如,朱廣安等[4]基于采空區(qū)壓實度理論和雙屈服模型,采用FLAC3D軟件模擬了孤島工作面采空區(qū)對覆巖規(guī)律、應(yīng)力演化和地表下沉量的影響;蔣力帥等[5]基于采動應(yīng)力與覆巖破壞特征的耦合分析,通過對FLAC3D中本構(gòu)模型的二次開發(fā),分析了采空區(qū)高度對超前支承壓力分布、采空區(qū)應(yīng)力恢復(fù)和側(cè)向煤柱集中應(yīng)力的影響;白慶升等[6]基于采空區(qū)壓實理論,運用FLAC3D對雙屈服模型進行了二次開發(fā),反演了地表下沉和支承壓力等采動響應(yīng);馮友良[7]基于改進采空區(qū)壓實效應(yīng)數(shù)值試驗研究,利用FLAC3D中FISH語言研究了采空區(qū)應(yīng)力和變形特征,提供了一種新的采場圍巖穩(wěn)定性研究思路;王磊等[8]基于半無限長梁與彈性基礎(chǔ)模型,應(yīng)用FLAC3D模擬軟件,得到了支承壓力分布規(guī)律與矸石壓實度之間的關(guān)聯(lián);洛鋒等[9]通過數(shù)值模擬不同采場采空區(qū)情況,采用FISH語言提取各階段數(shù)值,得到了煤層及采空區(qū)的應(yīng)力演化規(guī)律和分區(qū)特征;許國勝等[10]基于采動巖層空間載荷守恒原則,利用3DEC軟件建立數(shù)值模型,獲得了上覆巖層應(yīng)力分布規(guī)律。

當前臨床認為糖尿病隨著血脂上升的主要機理是因為[5]，糖尿病可能造成患者自身免疫出現(xiàn)問題，造成胰島素水平降低，另外外周靶組織在脂肪組織中和肝臟內(nèi)部出現(xiàn)胰島素抵抗情況[6]，讓在正常水平下胰島素?zé)o法正常工作，無法獲取夠量的葡萄糖，特別是對于肝臟、肌肉以及脂肪組織等對胰島素較為敏感的組織結(jié)構(gòu)來說，無法攝取到適量的葡萄糖導(dǎo)致肝葡萄糖輸出抑制效果差[7]。

為此,在前人研究成果的基礎(chǔ)上,使用PHASE 2D有限元程序軟件建立采空區(qū)剛度演化數(shù)值模型[11],包括高剛度、低剛度和變剛度采空區(qū)3個數(shù)值模型,研究采空區(qū)剛度對采場圍巖穩(wěn)定性的影響,以期獲得工作面煤體塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律,以及工作面前后方直接頂下沉量、覆巖垂直位移演化規(guī)律和工作面支承壓力增高系數(shù)等。

1 工程概況

以某礦1215工作面為工程背景進行數(shù)值模擬分析,建立3個不同剛度的數(shù)值模型,探究不同采空區(qū)剛度對煤體穩(wěn)定性、圍巖位移和支承壓力的影響。該工作面傾斜長度189 m,走向長度1 200 m,煤層厚度在2.94～3.54 m,煤層傾角在2.6°～15.2°,平均傾角7.69°,煤層埋深約為270 m。煤質(zhì)較好,但煤體內(nèi)部存在裂隙,部分裂隙被滑石和方解石充填。

2 數(shù)值模型建立

采用Hoek-Brown強度準則來確定模型中各巖石材料的參數(shù)取值[12-14],表1中為各巖層和煤層的材料參數(shù)。其中,v為泊松比;Em為彈性模量;σci為完整巖塊單軸抗壓強度;GSI,mb,s和α為巖石材料的參數(shù)。

圖1 建立的數(shù)值模型Fig.1 Built numerical model

模型推進100 m和150 m時,工作面前方煤體塑性區(qū)發(fā)展規(guī)律如圖2所示。整體來看,工作面前方煤體的塑性區(qū)呈上寬下窄的特征。相比于工作面推進100 m的情況,工作面推進150 m時煤壁塑性區(qū)寬度更大,如模型Ⅲ中2種推進距離下工作面塑性區(qū)的寬度分別為2.56 m和3.13 m。當工作面推進150 m時,模型Ⅰ中的煤體塑性區(qū)為2.08 m,模型Ⅱ和模型Ⅲ中的煤體塑性區(qū)分別為3.56 m和3.13 m,也就是說采空區(qū)剛度越大,工作面塑性區(qū)寬度越小。因此,當采空區(qū)剛度或壓實度較大時,有利于提高工作面煤體的穩(wěn)定性。

采用 PHASE 2D有限元軟件建立數(shù)值模型,建立的模型如圖1所示。該模型為400 m×100 m(長×高),煤層厚度為3 m,模型左右兩側(cè)各預(yù)留100 m寬的煤柱,工作面推進長度為200 m。模型巖層從上到下依次為粉砂巖、細粉砂巖、泥巖、煤、泥巖、細粉砂巖和石灰?guī)r。由于模型中煤層上方有70 m厚的巖層,而模擬煤層埋深為270 m,所以為模擬模型上方200 m厚的巖石層對煤層產(chǎn)生的應(yīng)力效應(yīng),在模型頂部施加了5.5 MPa的補償應(yīng)力。模型左右邊界均施加水平方向約束,下部邊界限制垂直方向位移。

表1 煤巖霍克-布朗強度參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 工作面煤體塑性區(qū)演化規(guī)律

為研究不同采空區(qū)剛度對工作面采場圍巖穩(wěn)定性的影響,建立了3個數(shù)值模型。其中模型Ⅰ中的采空區(qū)剛度較大,采空區(qū)矸石的彈性模量與煤體彈性模量相同;模型Ⅱ中的采空區(qū)剛度最小,其彈性模量為煤體的0.1倍;模型Ⅲ中靠近工作面位置的采空區(qū)剛度為0.1倍的煤體彈性模量,而在工作面后方一定距離內(nèi),采空區(qū)剛度增大至煤體彈性模量,即采空區(qū)剛度隨工作面的推進發(fā)生動態(tài)演化,因此模型Ⅲ中的采空區(qū)剛度居于模型Ⅰ和Ⅱ之間。

圖2 不同推進距離下工作面前方煤體塑性區(qū)演化規(guī)律Fig.2 Development law of coal body plastic zone in front of working face at different advancing distance

3.2 工作面前后方直接頂下沉量

圖3給出了工作面推進100 m和150 m時的直接頂下沉量。其中x=0的位置為工作面煤壁,x>0為實體煤,x<0為采空區(qū)方向。不難看出,在工作面前方,離煤壁越遠,直接頂下沉量越小;在工作面后方,離煤壁越遠,直接頂下沉量逐漸增大。相比于工作面推進100 m,當工作面推進150 m時,直接頂下沉量進一步增大,例如在模型Ⅱ中,工作面推進100 m和150 m的直接頂下沉量分別為89.6 mm和106.6 mm。相同推進距離下,由于采空區(qū)剛度為模型Ⅰ>模型Ⅲ>模型Ⅱ,因此,直接頂下沉量為模型Ⅰ(38.6 mm)<模型Ⅲ(96.8 mm)<模型Ⅱ(106.6 mm)。由此可知,增大采空區(qū)剛度或壓實度,可有效降低工作面前后方直接頂下沉量。

模型推進100 m和150 m時,覆巖垂直位移演化規(guī)律如圖4所示。可知,在模型寬度范圍內(nèi)垂直位移呈現(xiàn)兩端小、中間大的變化特征,垂直位移曲線關(guān)于最大值呈軸對稱。相比于工作面推進100 m的情況,工作面推進150 m時覆巖垂直位移更大,如模型Ⅲ中2種推進距離下垂直位移最大值分別為89.2 mm和137.4 mm。當工作面推進150 m時,模型Ⅰ中的覆巖垂直位移為44.9 mm,模型Ⅱ和模型Ⅲ中的覆巖位移分別為137.4 mm和148.3 mm,說明當采空區(qū)剛度越大時,覆巖垂直位移越小。通過對比不同剛度模型的覆巖垂直位移可知,當采空區(qū)剛度或壓實度較大時,有利于降低覆巖垂直位移量。

圖3 工作面前后方直接頂下沉量Fig.3 Subsidence of immediate roof at front and behind of working face

3.3 覆巖垂直位移演化規(guī)律

邢玠所奏之善后事宜未能切實實施，如“設(shè)安邊同知于松坎，尋廢”[3]1253?？辈ズ?，“以重慶太守王士琦為川東兵備使，彈治之?！盵8]996王士琦單騎諭應(yīng)龍，是其所忌憚之人，其在，應(yīng)龍尚可收斂。但隨著第二次赴朝御倭戰(zhàn)役的打響，朝廷大舉征調(diào)兵馬赴朝。“但今春續(xù)到者，止浙江藍方威兵四千八百，已發(fā)公州駐防，川兵一萬，時將抵遼陽”[17]231。各地駐兵陸續(xù)向朝鮮進發(fā)，兵備王士琦也被調(diào)征倭，川兵的遠調(diào)使得播州防務(wù)更加松懈，楊應(yīng)龍更加肆無忌憚。

圖4 覆巖垂直位移變化規(guī)律Fig.4 Change law of overlying rock’s vertical displacement

3.4 工作面支承壓力增高系數(shù)

(1)工作面推進150 m后,3種采空區(qū)剛度下的工作面前方煤體塑性區(qū)寬度分別為2.08 mm、3.56 mm和3.13 mm,說明采空區(qū)剛度越小,工作面煤體塑性區(qū)寬度越大。

圖5 不同模型下支承壓力增高系數(shù)變化Fig.5 Change in support pressure-enhancing coefficient under different models

4 結(jié)論

不同模型下工作面前方支承壓力增高系數(shù)變化如圖5所示。模型開挖前,工作面支承壓力增高系數(shù)為1,即支承壓力處于原巖應(yīng)力水平。隨著工作面的開挖,支承壓力增高系數(shù)先增大后趨于穩(wěn)定,其中模型Ⅰ的支承壓力增高系數(shù)最大值穩(wěn)定在2.1左右;模型Ⅱ的支承壓力增高系數(shù)最大值為3.7;模型Ⅲ支承壓力增高系數(shù)最大值為3.4。這是由于模型Ⅰ的采空區(qū)剛度最大,能夠承擔(dān)更多的覆巖壓力,故工作面前方實體煤所承擔(dān)的支承壓力最小。因此,增大采空區(qū)剛度或者壓實度,有利于降低工作面前方支承壓力。

那是一塊巨大的青石，不知道是做什么用的，反正表面已經(jīng)很光滑。粒粒在包包里翻出眉毛夾，用力在青石上刻上兩個字：程頤。然后做賊一樣，站起身，逃也似的跑開了。

綜上所述，《桃花扇本末》中“舅翁”秦光儀應(yīng)是孔尚任的內(nèi)兄(弟)，而并非“岳父”。再從孔尚任的作品中，我們可以得出秦光儀的年齡應(yīng)該大于孔尚任的妻子秦氏，因此秦光儀應(yīng)該是孔尚任之內(nèi)兄。

(2)采空區(qū)剛度越大,頂板下沉量越小。當工作面推進150 m時,模型I、II和III的直接頂最大下沉量分別為38.8 mm、106.6 mm和96.8 mm,覆巖垂直位移最大值分別為44.9 mm、148.3 mm和137.4 mm。

(3)隨著工作面推進,工作面前方支承壓力增高系數(shù)先增大后穩(wěn)定,模型Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ支承壓力增高系數(shù)峰值依次為2.1、3.7和3.4。增大采空區(qū)剛度有利于降低工作面支承壓力,提高采場圍巖穩(wěn)定性。