似膏体充填开采采场稳定性及顶板移动变形的数值模拟与分析

史晓勇，范 军

(1.北京华宇工程有限公司，北京100120;2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州221116)

特殊采煤与矿区环境治理

似膏体充填开采采场稳定性及顶板移动变形的数值模拟与分析

史晓勇1，范 军2

(1.北京华宇工程有限公司，北京100120;2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州221116)

以济宁矿业集团太平煤矿工程概况为试验背景，借助于FLAC3D数值模拟程序数值模拟似膏体充填开采工艺，揭示了似膏体充填开采采场稳定性及顶板移动变形规律，为似膏体充填开采实践提供了理论指导与技术支持。

似膏体充填开采;采场稳定性;顶板移动变形;数值模拟

似膏体充填采矿方法是一种新兴的“绿色开采技术”，相比于传统的水力胶结充填和膏体充填，该方法既具有水力充填料浆流动性好、输送方便的特点，又具有膏体充填体强度高、井下不脱水、保护环境等优点。由于受充填体的力学特性、充填工艺及充填质量、地质条件等多方面因素的影响，似膏体充填开采采场稳定性及顶板移动变形规律将影响到似膏体充填采矿方法的成功。为此，本文在这方面进行了初步探讨。

现有的岩层移动变形理论基本上都以均匀连续介质假设作为理论研究前提，关键参数必须经过现场观测才能确定，因而给实际预测工作造成了一定的难度［1］。近年来数值模拟方法发展很快，其对于了解问题的本质与理论研究具有同等重要的作用［2］，且对于问题的研究更加精致，考虑的因素更加全面，因此得到的结果更加符合实际。

本文采用FLAC3D数值模拟方法，以岩石力学理论为基础，以煤岩物理力学参数和地层构造特性为计算依据［1］，按平面应变的问题，建立合理的数值模型，对山东省太平煤矿似膏体充填开采条件下采场稳定性及顶板移动变形进行分析，从而对确定似膏体充填开采采场稳定性及探寻顶板移动变形规律提供有力支持。

1 工程地质概况

济宁矿业集团太平煤矿地处兖州矿业集团南屯煤矿西侧，属兖州煤田的一部分。本区除东南部和西北部有寒武系、奥陶系地层出露外，其余均为第四系覆盖，第四系之下发育有石灰系、二迭系、侏罗系和第三系。含煤地层主要包括石灰系上统太原组和二迭系下统山西组。太平煤矿生产能力1.10Mt/a，主采3号煤层存在十分严重的村庄压煤和提高开采上限问题。

1.1 煤层条件

太平煤矿八采区开采煤层为山西组3号煤层，计划分4层上行开采，先采底分层，最后开采顶分层。3号煤层平均厚度为8.75m。该区段范围内煤层为近水平煤层，倾角变化范围为1～5°。按照太平煤矿8301工作面实验情况，3号煤层RQD= 22%，抗压强度8.5MPa，抗拉强度0.5MPa，弹性模量1300MPa，泊松比0.29。

1.2 覆岩条件

3号煤层直接顶板为一组砂岩岩层，由灰色、灰白色钙质胶结的中细长石英砂岩组成，厚度23.7～26.9m，平行或波状层理比较发育，张性裂隙发育。煤层直接顶砂岩组以上基岩层一般为泥岩，中砂岩，细砂岩，粉砂岩等互层，分组厚度一般较小。煤层直接顶的抗压强度21.6～25.0MPa，抗拉强度 1.4～1.5MPa，弹性模量 2000～2700MPa，内摩擦角35°，泊松比0.20～0.24。

1.3 第四系松散土层条件

充填开采所在的八采区范围内3号煤层上覆第四系松散土层厚度 147.00～166.15m，平均154.91m，一般150～160m，以灰色、灰绿色粘土、砂质粘土为主，夹砂及砂砾多层，厚度稳定。

2 数值模拟地质力学模型的建立

2.1 力学参数

本次似膏体充填开采数值模拟以山东省某煤矿八采区8307区段开采3号煤层为工程试验背景。似膏体充填材料主要由胶结剂和骨料组成［3］。其中，胶结剂采用新的胶凝材料——凝石材料。似膏体充填料浆的浓度为76%～80%，凝石材料含量5%，粉煤灰含量15%～20%。

本研究对该煤矿3号煤层及上覆岩层采用大应变变形模式，材料模型为理想弹塑性，强度准则采用莫尔－库仑破坏准则。

根据研究区域的岩层柱状图及本矿和邻近矿的煤岩物理力学实验结果以及似膏体充填材料力学特性的实验结果，煤、岩和充填材料计算的力学参数选取如表1所示。

2.2 数值计算模型的建立

表1 介质类型及力学参数

根据该煤矿八采区8307区段工程地质概况，加以必要的简化，利用三维数值模拟计算软件FLAC3D建立数值计算模型。3号煤层八采区充填开采选择已经通过专家论证的充填工艺，即八采区3号煤层分4层由下而上开采。本次模拟为了便于研究只考虑首次分层开采，即底分层开采，工作面长度取180m，运输巷、轨道巷宽度均为3m，采高2.2m，充填步距为2.5m。在地面用泗河河砂、粉煤灰、凝石和水配制成凝石含量为5%的似膏体料浆，通过管道泵送到井下，紧随回采工作面后方在顶板未垮落前及时充填采空区。计算域的上边界取至地表，下边界考虑到消除边界效应的影响底板下方延伸30m，即取到地表以下221m;走向长度取200m;为了消除边界效应的影响倾向各向两边延伸30m，即倾向长度取260m。工作面布置为水平方向。似膏体充填开采三维数值计算模型网格图如图1所示。

3 数值模拟与分析

3.1 数值模拟

图1 似膏体充填开采三维数值计算模型网格

在似膏体充填实际开采中，开采、充填都是分步交替进行，即“采煤－充填－采煤－充填”交替循环，这期间随着工作面向前推进，工作面前方(煤壁)与后方 (充填体)顶板不可避免会有应力和位移变化。当工作面推进一段时间后，其前、后方远离煤壁一定距离顶板应力分布和位移变化趋于稳定。本研究从充填体分步充填开采开始，随采随充，向前推进100m后，借助于FLAC3D数值模拟程序，模拟似膏体充填开采采场稳定性及顶板移动变形情况并进行分析。

3.2 数值模拟结果分析

3.2.1 充填采场稳定性分析

从数值模拟结果中可以得到充填采场水平应力场及垂直应力场分布情况，如图2，3所示。

图2 充填采场水平应力场分布

图3 充填采场垂直应力场分布

(1)水平应力场分析 由图2可以看出，在充填采场前方，水平应力增大，最大值为3.56MPa，表现为拉应力，即最大拉应力出现在煤壁前方约5m左右，影响范围约为5～10m。随着远离采场水平应力有所减小，逐渐趋于稳定，稳定值为2.82MPa。由于最大拉应力大于顶板抗拉强度，顶板会在最大拉应力位置出现拉断破坏。在充填采场后方，水平应力随着远离采场而增大，但是增大幅度逐渐减小，最终趋于稳定，最小值为1.36MPa，稳定值为2.78MPa。

(2)垂直应力场分析 由图3可知，在充填采场顶板与两侧壁的交接处，由于顶板和两侧壁的相互作用，出现明显的应力集中现象。在顶板与煤壁交接处，压应力为5.13MPa;在顶板与充填体交接处，压应力为4.16MPa。由于两处应力集中均小于煤层和充填体抗压强度，故采场顶板不会因为应力集中的作用在顶板与两侧壁处发生挤压破坏。

3.2.2 顶板移动变形分析

(1)垂直位移分析 从数值模拟结果中可以看出顶板垂直位移的分布情况，如图4所示。同时得到顶板的下沉量，即垂直位移量，对所得数据进行处理并绘出垂直位移曲线图，如图5所示。

图4 顶板垂直位移分布

图5 顶板下沉曲线

由图6，图7可以看出，采空区充填体上由于充填体压缩形成的顶板挠曲随远离煤壁而增加，距煤壁40～50m以上时，增长变缓。最大下沉达到91.5mm，约为采高2.2m的4.15%，距煤壁70m以后顶板下沉值有所减小。对于煤层上方的顶板，随着远离煤壁，其下沉值衰减，至煤壁50～60m以远，衰减幅度减小。煤层顶板下沉最大值在煤壁处，达到80mm左右，约为采高2.2m的3.63%。

(2)垂直应力分析 从数值模拟结果中可以看出顶板垂直应力的分布情况，如图6所示。同时得到顶板的垂直应力值，对所得数据进行处理并绘出顶板垂直应力曲线图，如图7所示。

图6 顶板垂直应力分布

由以上两图可以看出，采空区充填体上方顶板垂直应力随远离煤壁而急剧增加，在工作面后方50～60m以上开始明显减缓，慢慢趋于稳定，稳定后的应力值为3.84MPa，与原岩应力值相当。煤层上方顶板垂直应力的变化特征中宏观上符合常规工作面开采支撑压力的分布规律，距煤壁60～70m以上是原岩应力区，即稳压区。

图7 顶板垂直应力曲线

4 结束语

通过数值模拟分析并得出了似膏体充填开采采场稳定性及顶板移动变形规律，即采场顶板会在最大拉应力位置出现拉断破坏，不会因为应力集中的作用在顶板与两侧壁处发生挤压破坏。充填体上方顶板移动变形随远离煤壁而增加，距煤壁40～50m以上时增长变缓趋于稳定;煤层上方顶板移动变形随着远离煤壁，其下沉值衰减。相比于非充填开采，顶板移动变形明显较小，减少了地表沉陷。研究成果对似膏体充填开采实践具有一定参考价值。

［1］谢和平，周宏伟.FLAC在煤矿开采沉陷预测中的应用及对比分析［J］.岩石力学与工程学报，1999，18(4):397－401.

［2］康红普.回采巷道锚杆支护影响因素的FLAC分析［J］.岩石力学与工程学报，1999，18(5):534－537.

［3］黄玉诚，孙恒虎，等.似膏体充填建筑物下采煤可行性探讨［J］.煤炭科学技术，2003，31(10):51－53.

［4］蔡嗣经，矿山充填力学基础［M］.北京:冶金工业出版社，1994.

［5］钱鸣高，缪协兴，许家林，等.岩层控制的关键层理论［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2002.

［责任编辑:徐乃忠］

Numerical Simulation and Analysis of Stope Stability and Roof Movement and Deformation in Paste-like Stowing Mining

SHI Xiao-yong1，FAN Jun2

(1.Beijing Huayu Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100120，China; 2.Mining Engineering School，China University of Mining＆Technology，Xuzhou 221116，China)

Taking Taiping Colliery of Jining Mining Group as engineering background，applying FLAC3Dto simulating paste-like stowing technique，this paper obtained stope stability and roof movement and deformation rule which provided theoretical indication and technical support for paste-like stowing mining practice.

paste-like stowing mining;stope stability;roof movement and deformation;numerical simulation

TD823.7

A

1006-6225(2012)04-0076-03

2012－03－28

中央高校基本科研业务费专项资金资助 (2010QNB24)

史晓勇 (1982－)，男，山西太原人，工程师，现从事矿井设计方面的研究工作。