刘树新,苏彦斌,韩兴华(.内蒙古科技大学矿业研究院,内蒙古 包头 0400;.太原理工大学采矿工艺研究所,山西 太原 03004)
不同采煤方法下开采沉陷的数值模拟研究
刘树新1,苏彦斌1,韩兴华2
(1.内蒙古科技大学矿业研究院,内蒙古 包头 014010;2.太原理工大学采矿工艺研究所,山西 太原 030024)
为了对比充填开采及条带开采对地表及覆岩破坏控制的效果,本文基于实验室制备的充填材料和理论计算得到的条带开采方案,运用数值模拟软件FLAC3D对条带开采、充填开采过程中地表移动变形及覆岩应力场变化情况进行详细分析。结果表明:充填开采中覆岩释放了少许弹性应变能,其应力略小于原岩应力,覆岩应力场呈线性规律变化。条带开采中覆岩应力场出现应力增高区,煤柱两端应力集中现象严重,围岩稳定性弱于充填开采。两种开采方法下地表沉陷均远小于垮落开采,条带开采中地表各变形值均小于建筑物I级破坏允许值,充填法中地表曲率仅比该允许值大0.02mm/m2,仍能保证地面建筑物的安全性。故采用充填开采对地表及覆岩变形的控制效果更佳。
开采沉陷;控制效果;条带开采;充填开采;数值模拟
大规模的地下采矿会造成一系列的开采沉陷问题。开采沉陷会造成矿区土地塌陷、地面积水、农田损坏、道路塌陷、地表建筑物变形破坏等。目前我国不少煤矿采煤花费在迁村、修路方面的费用已经到了无法承受的地步。地下开采所引起的覆岩运动与地表沉陷是一个复杂的力学变化过程[1-2]。从煤层开采、顶板垮落、覆岩破坏至地表变形,是一个原岩应力场破坏、新应力场重新分布、平衡的过程。当采场开挖后,采空区直接顶在自重应力场作用下,产生下沉、弯曲直至垮落。老顶则以悬臂梁弯曲的形式沿层理面法线方向运动,最终断裂、离层。随着工作面继续推进,覆岩变形将波及地表,在地表形成一个比采空区大得多的下沉盆地。因此由开采引起的岩层及地表移动变形是造成矿区塌陷的根源,有效控制地表塌陷程度是解决此问题的根本之路。
目前控制和减小地表沉陷的主要途径有充填开采、条带开采等[3-6]。充填开采是采用充填材料来充填开采形成的采空区,其地表沉陷控制效果取决于充填体自身的强度、充填的接顶程度以及采空区的密实程度。国内主要的充填方法有水砂充填、矸石充填、膏体充填及高水充填[7-9]。条带开采是目前国内“三下”开采地表沉陷控制的主要途径,应用最为广泛[10]。条带开采的原理是把要开采的煤层划分成走向条带或倾斜条带,采一条,留一条,并利用保留的条带煤柱支撑上覆岩层,从而减少覆岩沉陷控制地表的移动和变形,达到地面保护目[11]。
本文采用实验室制备的充填材料通过数值模拟的方法对垮落开采、充填开采以及条带开采引起的覆岩移动、围岩应力变化及地表移动变形等方面进行了初步探讨。
文章以山西某煤矿为工程背景,该矿平均采厚4m,为近水平煤层且埋藏较浅,平均埋深为311m,地质参数如表1所示。模型走向长度为620m,倾向长度为550m,模拟工作面为150m,推进长度为300m。模型两侧限制水平移动,下部边界为固支约束,上表面为自由面。采区上部地表被2个村庄覆盖,由于地表建筑抗变形能力较差,而传统的开采方法必然会造成严重的地表沉陷,最终使得建筑物破坏。为了实现不迁村开采并把开采沉陷控制在合理的范围内,文中对比了条带法和充填法对地表沉陷的控制作用,并得出了合理的方案。
表1 覆岩物理力学参数
2.1 开采方案
1)垮落开采。为了对比以下两种方法控制开采沉陷的效果,文章模拟了垮落法开采下地表及覆岩的移动变形。
2)充填开采。膏体充填材料由实验室按粉煤灰、水泥和煤矸石比例为4∶1∶3,并加入不同含量的膨润土配置而成。这样,膏体材料不但不下沉并且膨胀率大于1,从而解决了充填体不能完全接顶的问题。模拟过程采用全采全充的方式,并对充填体强度循环赋值来实现井下充填过程中膏体由流态变为固态过程中强度逐渐增强的实际情况。
3)条带开采。采出宽度根据采深、采高以及关键层极限跨距确定,留设煤柱宽度根据煤柱能长期保持稳定的安全因素及采出率来确定。经过理论计算最终确定采、留宽度均为55m,采出率达到50%。
2.2 数值结果分析
FLAC3D能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为。但其在图形结果后处理上存在着不足,其结果云图中位移和应力分布等值线没有定量的显示出具体结果,不利于进一步分析。Tecplot是Amtec公司推出的一个功能强大的数据分析和可视化处理软件,是数值模拟后对结果数据进行分析和处理的理想工具。文中用Tecplot对FLAC3D模拟结果进行量化处理,得到不同开采方法下走向主断面的下沉等值线和应力分布等值线。
2.2.1 变形分析
图1为由地表水平移动值计算得到的水平变形曲线,最大压缩变形发生在采空区中心处以上地表,最大拉伸变形发生在边界点与拐点之间。由于沙土的抗压强度远大于抗拉强度,所以地表破坏一般都是拉伸破坏,故应加强处于拉伸区地表建筑物的保护。
图1 地表水平变形曲线
图2、图3为走向主断面,其中横轴表示工作面推进方向,纵轴表示地层标高。图2为不同开采条件下走向主断面变形等值线。移动盆地的边界角是主断面下沉为0.01m的点和采空区的连线与水平线在煤柱一侧的夹角。显然,图2中边界角由大到小依次为b、c、a,故下沉盆地范围为垮落法大于条带法大于充填法。图2(a)垮落法开采中,随着工作面的推进,直接顶的下沉量达到0.3m,并与基本顶相继垮落,关键层产生较大的弯曲变形,当达到其极限跨距时发生破断,因此标高为-230m以上区域发生离层。这种变形波及到地表,并形成走向长度远大于500m的移动盆地。图2(b)充填开采中,由于充填体早期强度较低,部分直接顶发生垮落。随着充填体后期强度的增强及垮落岩石的碎胀压实,基本顶并不垮落,而只发生弯曲。而这种弯曲通过关键层传递到地表,造成地表下沉。图2(c)条带开采中,条带采空区顶板发生垮落,下沉量达到0.13m,其上方覆岩下沉量大于条带煤柱上方覆岩。但在标高为-220m以上区域,条带采空区和煤柱上方下沉量趋于一致,并一致传递到地表。表明条带法开采时地表变形是由标高-220m以下区域的下沉累积而成。表2列出了不同开采条件下地表变形各指标的最大值。
表2 不同开采方法下地表变形指标
2.2.2 应力场分析
图3为走向主断面垂直应力等值线,比较图3a、b、c可知,标高-75m之上,三种开采方法均处于原岩应力区,并无出现二次应力扰动。图3(a)中,采空区以上覆岩由于垮落破坏造成岩石中部分弹性变形能释放,从而出现应力降低甚至应力为零区。而大部分应力则转移到煤柱两侧,使得两侧煤柱出现应力集中,最大应力达到14MPa,应力集中系数为2。故采空区两端煤柱破坏最严重。图3(b)充填法中,由于充填体强度的滞后性,使得上覆岩层少许破坏,故而垂直应力分布略小于原岩应力,且采空区两端煤柱略有应力集中现象,最大应力为9.5MPa,应力集中系数为1.35。但由于后期充填体发挥支撑作用,故充填开采下覆岩的垂直应力呈线性分布。图3(c)中,标高-150m之上,垂直应力为原岩应力场。而条带采空区之上区域由于岩层破坏,应力减小,并转移到留设煤柱上,故煤柱上方应力大于原岩应力。煤柱两端最大应力11MPa,应力集中系数1.56。对比得出,充填法上覆岩层应力场最接近原岩应力场,故而围岩最稳定。
2.2.3 破坏过程分析
2.2.3.1 稳态分析
图2 走向主断面下沉等值线
(图中曲线表示走向主断面覆岩下沉值,单位m)
图3 走向主断面垂直应力分布等值线
(注:图中曲线表示走向主断面覆岩垂直应力分布,单位Pa)
图4为开采稳定后各开采方法塑性区分布。图4(a)为垮落法开采塑性区分布,传统开采覆岩破坏严重,破坏高度为126m处泥岩,大面积垮落为中砂岩,高度为33m。砂砾岩以上亚关键层以下并不出现大面积垮落,只在煤柱两端上覆岩层出现拉伸破坏。亚关键层之上细砂岩破坏区域也较大,随着主关键层下方岩层的破断垮落,岩层间的铰接力消失,导致了主关键层的断裂。采用充填法开采时(图4(b)),顶板4m处发生拉伸破坏,两端边缘发生少许剪切破坏,部分底板出现拉伸破坏,正是充填体的支护作用减弱了顶板的破坏。采用条带法开采时(图4(c)),条带采空区上方破坏高度达到20m,且中部垮落最为严重为拉伸破坏。煤柱两端为应力增高区,为压剪破坏,煤柱中部并无发生破坏。说明煤柱两端的塑性区承载了大部分载荷,而核区处载荷较小,保证了煤柱的稳定性。
2.2.3.2 动态分析
图5为地表走向主断面测线中点在开采过程中的下沉速率。充填法中由于覆岩变形空间减小,关键层变形量较小,地表下沉速率明显小于垮落法开采。但仍然出现一个高峰值,其原因一方面是因为充填体早期强度较小并未起到支撑作用,另一方面是因为充填前顶板已有下沉,这样就导致了前期地表下沉出现最大值。后期下沉速率逐渐减小,说明后期充填体的支撑作用阻碍了地表下沉,并且图5中下沉曲线未出现周期性变化,说明关键层并未发生周期性折断,依然可以作为覆岩自重的承载主体。条带法中下沉速率略大于充填开采,且下沉曲线出现周期性的增大减小。这是因为条带开采中随着条带不断地采出,上覆岩层不断地处于“动态平衡”中,但由于垮落矸石及煤柱的的支撑作用,下沉速率仍然呈减小趋势。图5(c)中主关键层破断前,随着采空区面积的增大,裂隙带运动范围急速扩大,使得地表下沉速率处于增速段。当主关键层初次断裂时,地表测点的下沉速度达到高峰值,此后随着顶板的垮落、压实以及未垮落关键层的支撑作用,地表下沉速度逐渐减小,并随主关键层的周期破断呈跳跃性变化。每一次主关键层破断,都会引起地表的急剧下沉,但下沉速率的高峰值逐渐减小,地表下沉整体呈现减速段,而且从图中得知关键层的周期垮落歩距小于初次垮落歩距,并且呈递减规律。
图4 塑性区分布
图5 地表点下沉速率
1)充填材料的力学测试及数值模拟表明充填体后期强度大,且有一定膨胀性,能有效支撑顶板,控制地表下沉。充填开采中覆岩变形、破坏较小,围岩应力场接近于原岩应力,稳定性强于条带开采。
2)数值分析表明条带开采对地表下沉的控制效果略好于充填开采。条带开采过程中表征地表的各项指标均小于建筑物I级破坏范围;充填开采中,只有最大曲率值0.22m-1·10-3略大于允许值,但仍能保持建筑物的安全。
3)综合分析可得出在同等采矿条件下,两种开采方法相较于传统的垮落法开采,都能很好的限制地表及围岩变形。但充填开采对覆岩稳定性及地表沉陷的控制程度要优于条带开采。
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The numerical simulation of the mining subsidence in different mining methods
LIU Shu-xin1,SU Yan-bin1,HAN Xing-hua2
(1.Mining Academy,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China;2.Institute of Mining Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)
The surface deformation and the variation of overburden stress field in different mining methods are analyzed by FLAC3Din order to contrast the control effect of surface and overlying strata deformation between filling mining and strip mining,which are based on the filling material prepared in the lab and the theoretical strip mining scheme.The results show that a little of overburden elastic strain energy is released in the filling mining,which stress is smaller than the in-situ rock stress and the stress field varies with an almost linear fashion.There exist high-stress area in the overlying strata and stress concentration in the coal pillar of strip mining,so the stability of surrounding rock is less than the filling mining.The surface subsidence in the two mining methods is far less than the caving mining and the values of surface deformation are less than the allowable values of the buildings grade I in strip mining.Though the value of surface curvature is 0.02mm/m2bigger than the allowable value in filling mining,it can insure the safety of ground buildings.So the control effects of surface and overburden deformation are the best in the filling mining.
mining subsidence;control effect;strip mining;filling mining;numerical simulation
2015-02-05
国家自然科学基金项目“开采扰动下峰后煤岩体结构特征及其强度衰减规律研究”资助(编号:51264028);内蒙古自治区高等学校科学研究项目资助(编号:NJZY11147);内蒙古科技大学产学研合作培育基金项目资助(编号:PY-201212)
刘树新(1971-),男,内蒙古丰镇人,教授,主要从事岩石力学与工程、矿山地压控制和矿井开采及灾害防治的研究及应用。
苏彦斌(1989-),男,山西吕梁人,硕士,攻读内蒙古科技大学采矿工程专业,研究方向为矿山压力及岩层控制。
TD327
A
1004-4051(2015)12-0089-05