超高水材料开放式充填 FLAC3D数值模拟应用研究

连小林,冯光明,韩晓东,王成真,周 振

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221008;2.霍州煤电集团庞庞塔煤矿,山西吕梁 033200)

超高水材料开放式充填 FLAC3D数值模拟应用研究

连小林1,冯光明1,韩晓东2,王成真1,周 振1

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221008;2.霍州煤电集团庞庞塔煤矿,山西吕梁 033200)

超高水材料是一种新型的采空区充填材料,以该材料为基础的采空区开放式充填技术具有充填工艺简单,初期投资低,机械化程度高,充填与开采互不影响等显著优点。结合超高水材料充填工艺的特点,采用 FLAC3D数值模拟软件,模拟不同开采方式下采空区上覆岩层的移动情况,分析了超高水材料控制顶板下沉,抑制地表沉陷的机理。陶一煤矿充填试验面应用实践证明,该种充填方式的正确可行性。为类似条件下,充填开采提供了技术参考。

超高水材料;开放式充填;覆岩移动变形;数值模拟

1 工作面概况

陶一煤矿充填试验面位于七采区南翼,对应地表有村民房屋建筑、冲沟、梯田。地面标高为171.2～179.1m,工作面标高 -143.0～-187.0m,工作面埋深 315.1～365.9m。本工作面 2号煤层为单一倾斜煤层,煤厚 3.5～4.3m,平均 3.97m,煤层倾向 N110°E,倾角 10～13°。工作面沿 2号煤层倾向布置,为倾向条带仰斜开采工作面,走向长50m,倾向长 220m。煤层综合柱状如图 1。

图1 煤层综合柱状

2 超高水材料开放式充填工艺

超高水材料开放式充填是指工作面布置成仰斜开采方式,充填浆液依靠工作面两条斜巷内的输送管路自流进入采空区。其充填工艺[2]主要包括两部分：充填泵站和采空区充填点。

充填泵站为一整套制浆系统,由控制系统、制浆系统和输送系统组成。各系统运行步骤为：由控制系统设定输送料的配比制浆量;制浆系统在 PLC的控制下加料与给水,生产出合格的浆体并转送缓冲池中;2台充填泵分别将 2种不同浆体通过管路输送至采空区附近的充填点;充填点附近的 A,B两种浆体经充分混合后,自流进入采空区。

3 工作面数值模拟

3.1 模型的建立

采用美国 ITASCA公司研制的 FLAC3D软件模拟充填前后覆岩的下沉。

模型在 X方向取 400m,在 Y方向取 260m。模型高 405m,煤层层厚 3.8m。煤层倾角 12°,开挖煤层倾向中部距地表 340m。模型共计 237120个网格和 247828个节点。煤层在 X方向上预开挖区间为 100～300m。两侧各保留 100m煤柱。Y方向上预开挖区间为 70～195m,中间保留 5m煤柱,两侧分别保留 70m,65m煤柱。其中待开采煤层倾向中部距离地表 340m。

模型前后、左右边界施加水平约束,边界水平初始位移为零;模型底部边界水平、垂直初始位移均为零。模型底部施加等效载荷,其值为上覆岩层的自重应力。载荷σs按式 (1)得到,前后左右各侧面在水平方向上施加有自重应力产生的侧应力,由式 (2)确定。

目前，工程中多采用间接循环式系统，因为在连续循环式系统中，冷水补水时，水箱温度波动较大，用户侧的供水温度得不到保障。间接循环系统中，将加热水箱和保温水箱分开，水在加热水箱中加热至一定温度，才能送入循环水箱，水箱温度恒定，舒适性较高。

式中,γ为覆岩的平均体积力,取 25kN/m3;H为模型底部边界距地表的深度。

式中,λ为侧压系数。

计算过程中,模型从下边界至地表有 27层煤岩层。包括 2层煤、6层粗粉砂岩、6层细粉砂岩、6层中粒砂岩、7层细粒砂岩。计算所采用的煤岩物理力学参数见表 1。

3.2 模拟结果

经过数值模拟计算,将计算结果数据导入 Tecplot后处理软件,经过切片成图处理,最后结果如图 2所示。

由图 2可知：

表1 计算采用的煤岩物理力学参数

图2 充填前后工作面倾向中部下沉等值线

(1)单面开挖不充填地表最大下沉 0.254m,明显大于单面开挖充填时地表最大下沉量。

(2)双面开挖不充填地表最大下沉值为1.030m,明显大于双面开挖充填时地表最大下沉量,但较单面开挖充填时的下沉量大。

(3)单面开挖充填之后,采空区中部上方覆岩 135m水平最大下沉值小于 0.01m,该水平距离地表 203.7m。该水平之上岩层不受采动影响。

(4)双面开挖充填之后,采空区中部上方覆岩 158m水平最大下沉值小于 0.01m,该水平距离地表 180.7m。该水平之上岩层不受采动影响。

(5)双面开挖不充填时,煤柱处的最大下沉量大于 3m,煤柱基本遭到破坏;充填之后,煤柱处的最大下沉量小于 0.8m,煤柱能起到隔离 2个采空区的作用。

3.3 模拟结果分析

工作面开采之后覆岩和地表下沉量主要受到采空区大小、采高和是否充填的影响。工作面布置较小时,采空区上方受采动影响的覆岩跨度较短,下沉破坏向上发展,到一定的高位岩层时,岩层不发生较大破断,只有一定的弹塑性变形,此时,该处下沉量较小。反之,高位岩层发生破断,直至地表,此时,地表将会产生较大下沉和变形[3]。

由单面和双面充填与不充填的数值模拟情况可以看出,单面开挖和双面开挖充填时地表最大下沉量明显小于开挖不充填时的下沉量,充填体可以有效的对上覆岩层进行控制。同时随着开采工作面的增加,采动范围逐渐地增加,采动有由非充分采动向充分采动转变地倾向,但该种情况可以通过提高充填率减小下沉量来得到有效地控制。充填前后覆岩移动变形如图 3所示。

对采空区进行充填,一方面可以“变相”地降低采高,限制覆岩的下沉量;另一方面,通过采空区充填固结体侧向支撑煤柱,使煤柱具有一定的稳定性,从而间接地降低采空区受采动影响的覆岩跨度,减小了由于双工作面开采造成的下沉叠加,使得采空区覆岩移动变形具有相对的独立性。在充填率较高的情况下,完全能达到保护地表的目的。

图3 充填前后覆岩移动变形

4 充填效果

充填工作面累计开采时间 3.9个月,共出煤78290t,采空区采出体积为 44316m3,充填量为36591m3,充填率为 82.6%。采用超高水材料开放式充填采空区,虽然直接顶发生冒落,但是依靠充填浆液渗透性强的特点,也能够及时阻止覆岩的进一步下沉。

为了观察超高水材料浆液在采空区的固结情况,在工作面中部顶板上方 20m的一段巷道中向采空区钻孔,并采用岩层探测记录仪对其进行了窥视。窥视结果显示超高水材料充填高度位于煤层顶板上方 19.78m,而且在大小裂缝中均可见固结体,如图 4。说明,充填浆液不仅能密实采空区冒落带,而且可以密实部分裂缝带岩层的大小裂隙,充填情况比较理想。

图4 充填固结体实照

5 结束语

(1)超高水材料开放式充填开采具有充填率高,地表减沉效果显著的优点。

(2)超高水材料不仅具有良好的流动性,还具有良好的渗透性,不仅能密实采空区冒落带,而且可渗透到裂缝带岩层的大小裂隙中。

(3)超高水材料充填开采技术具有充填工艺简单,初期投资低,机械化程度高,充填与开采互不影响等显著优点。

(4)为类似地质条件下,进行充填开采提供了技术参考,该充填试验面充填开采技术具有良好的应用推广价值。

[1]冯光明 .超高水充填材料及其充填开采技术研究与应用[D].徐州：中国矿业大学,2009.

[2]闫 斌,莫 技,李 涛,等 .似膏体充填工作面采煤与充填工艺 [J].煤矿开采,2009,14(6)：35-37.

[3]何忠明,彭振斌,曹 平,等 .双层空区开挖顶板稳定性的FLAC3D数值分析 [J].中南大学学报 (自然科学版),2009(8).

[责任编辑：邹正立 ]

Numerical Simulation of Open Stowing with Super-high-water-content Material by FLAC3D

L IAN Xiao-lin1,FENG Guang-ming1,HAN Xiao-dong2,WANG Cheng-zhen1,ZHOU Zhen1
(1.Mining Engineering School,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221008,China;2.Pangpangta Colliery,Huozhou Coal&Power Group,Lvliang 033200,China)

Super-high-water-content material is a new stowing material for mined gob.Using the material,open stowing technology was characterized by simple technique,low first investment,high mechanized degree and independent stowing and mining.Based on the characteristic of stowing with super-high-water-content material,movement rules of overlying strata by different mining methods were simulated by FLAC3D.Mechanism of controlling roof and surface subsidence with super-high-water-content material was analyzed.Application of the material in Taozhuang Colliery proved its feasibility and provided reference for stowing mining.

super-high-water-content material;open stowing;movement and deformation of overlying strata;numerical simulation

TD823.7

A

1006-6225(2011)01-0004-03

2010-11-09

连小林 (1984-),男,山西长治人,硕士研究生,研究方向为巷旁支护和采场围岩控制。