膏体充填参数对上覆岩层破坏规律的数值模拟研究

张诚

（忻州市煤田地质勘探队,山西忻州 034000）

膏体充填参数对上覆岩层破坏规律的数值模拟研究

张诚

（忻州市煤田地质勘探队,山西忻州 034000）

传统的条带开采中，巷道开挖后扰动了巷道上方原岩应力的分布状态，巷道上方的顶板在二次应力场的作用下会发生变形、破坏，严重时会导致结构失稳、垮塌和破坏。为研究不同的膏体充填参数对覆岩应力分布规律的影响，本文运用数值模拟的手段以小屯矿条带充填开采为背景，选取采空区顶板及煤柱塑性区破坏范围、巷道顶板和煤柱的下沉量作为充填体的充填效果，得出不同充填体的充填率、充填体强度对上覆岩层破坏规律的影响。

膏体充填参数；岩层；数值模拟

1 数值模拟方法的确定

在岩土工程与地质材料的力学行为数值模拟计算中以拉格朗日法为代表的FLAC软件与离散单元法所代表的UDEC软件是两种行之有效的解决手段[1-3]。

FLAC3D是一种基于三维有限差分法以岩石力学为基础理论，根据岩土或其他材料的物理力学参数及地质构造特性的数值分析方法。由于混合了单元离散模型，采用有限差分格式可以准确模拟多种材料与非规则区域边界条件的力学动态行为，在外力载荷及边界条件的约束下，同时可以准确的模拟材料的屈服、塑性流动、甚至大变形的应力-应变关系。垮落带和弯曲下沉带而不会出现垮落破坏，顶板的上覆岩层可以按照连续介质的问题研究。因此，选用FLAC3D数值模拟软件进行膏体条带充填的模拟计算，为膏体条带充填提供一定的理论依据。

2 FLCA3D数值模拟方案的建立

2.1 基本假定

小屯煤矿属于近水平煤层，因此在数值模拟计算时，煤层按水平考虑。为提高运算速度与精度，精确的分析采空区顶板及煤柱的受力状态及应力分布规律，将模型分为顶底板与煤层共三层。模型的上边界以上覆岩层的地应力作为边界加载条件，根据公式（1）得出模型上边界的应力：

式中：q模型上边界的应力，MPa；γ为为上覆岩层的容重，N/m3；g为重力加速度，g/cm3；h为煤层埋深，m。

煤层顶板为粗粉砂岩，底板为细粒砂岩。由于采空区顶板巷道使用锚喷网联合支护，所以在模型力学参数上进行加强。由于巷道围岩采用了锚网支护，所以在力学参数上进行了加强。模型网格剖分图，见图1。

模型在X方向上取110 m，在Y方向上取100 m。模型高40 m，其中顶板与底板为便于计算各取18 m，煤厚为4 m，位于Z=18～20 m之间。在煤层18～22 m的区间内，布置4条充填巷道，同时留设3个隔离煤柱，同时为减轻边界效应的影响在模型的左右边界在X方向各留设28 m的煤柱。

2.2 膏体材料与岩石的物理力学参数的选取

为提高数值模拟的准确性，使模拟结果更真实的采空区上覆岩层与煤柱的变形与破坏以及充填体的充填效果，模拟采用的煤岩层物理力学参数主要根据实验室实测数据与相关理论研究成果得出，顶底板的泊松比μ取0.47；充填体的泊松比μ取0.25；煤体的泊松比μ取0.3。煤岩层的物理力学参数，如表1所示。

2.3 边界条件的确定

小屯煤矿膏体条带充填计算模型边界条件确定如下：

1）水平与初始位移：模型底部边界的水平与垂直的初始位移为零；而模型前后与左右的两端的边界水平初始位移均为零。

2）水平与垂直应力：根据公式（2）可知，模型的底部施加上负岩层自重应力的的等效载荷。式中：γ为上覆岩层的容重，N/m3；H为模型底部边界的埋深，m；σs为垂直应力，MPa。

由公式（3）得出，模型边界的前后左右在水平方向上施加由自重应力产生的侧向应力。

式中：λ为侧压系数；μ为泊松比；σs为垂直应力，MPa。

3 不同充填率对上覆岩层的数值模拟分析

充填率与充填体强度是膏体充填的关键参数。为研究不同充填率及充填体强度对采空区顶板及煤柱的应力分析，数值模拟不同充填参数对上覆岩层的应力分布及塑性区破坏影响范围分两种情况：一是保持充填体强度不变，模拟不同膏体材料充填率（70%、80%、90%、100%）对工作面顶板与隔离煤柱的塑形区破坏范围，以及顶板的垂直应力于煤柱的垂直应力。二是保持膏体材料的充填率不变，通过分析充填区域不同充填体强度的塑性区破坏范围，得出不同充填体强度对采空区顶板及煤柱的充填效果。

随着原煤不断采出，采空区顶板在上覆岩层垂直应力的作用下会发生沉降。

由于充填体的充填率是相对于采空区顶板沉降后的实际空间，因而充填体的体积要小于原煤采出的体积。根据配比试验得出的最优配比，其充填体强度为3.57 MPa，模拟在充填体强度确定的情况下，选择不同的膏体材料充填率（70%、80%、90%、100%）对工作面顶板与隔离煤柱的塑形区破坏范围，以及顶板的垂直应力与垂直位移。不同充填率的塑性区破坏范围及顶板的垂直应力与垂直位移，见图2-图6。

由图2-图6可以看出，当采空区完全不充填时，采空区的顶板与底板板会发生剪切与拉伸破坏，造成顶板垮落破坏与底鼓。随着充填体的充填率由70%增加至100%，上覆岩层的垂直应力对塑性区破坏影响幅度逐渐变小。对比充填率为90% 和100%的采空区塑性破坏范围及顶板的垂直位移可知，两种不同充填率的破坏范围基本相同，前者的采空区顶板垂直位移比后者增加2.14%，而配比膏体材料的膨胀率为2.25%，完全可以满足主动接顶要求。

由图7-图11可以看出,采空区顶板垂直位移随充填率的增加呈线性减小。随着充填率的不断增加，充填体控制顶板的能力不断增强，从而约束顶板与隔离煤柱的位移。由于在模拟的膏体材料不是随着巷道的推进而随采随充，顶板在未充入膏体材料时已有部分下沉量。因此，在实际充填作业时应最大限度的减小顶板下沉量。

4 结论

充填率与充填体强度是膏体充填的关键参数。通过研究不同充填率及充填体强度对采空区顶板及煤柱的应力分析得出当采空区完全不充填时，采空区的顶板与底板板会发生剪切与拉伸破坏，造成顶板垮落破坏与底鼓。采空区顶板垂直位移随充填率的增加呈线性减小。随着充填率的不断增加，充填体控制顶板的能力不断增强。

参考文献：

[1]李俊，寇云鹏，杨震，等.“三下”压煤充填开采研究现状综述[J].黑龙江科技信息,2012（12）:43-44.

[2]余伟健，冯涛，王卫军，等.充填开采的协作支撑系统及其力学特征[J].岩石力学与工程学报,2012（S1）:2803-2813.

[3]缪协兴.综合机械化固体充填采煤技术研究进展[J].煤炭学报,2012（8）:1247-1255.

[4]王家臣，杨胜利，杨宝贵，等.长壁矸石充填开采上覆岩层移动特征模拟实验[J].煤炭学报,2012（8）:1256-1262.

[5]胡炳南.我国煤矿充填开采技术及其发展趋势[J].煤炭科学技术,2012（11）:1-5，18.

[6]张吉雄，缪协兴，郭广礼.矸石(固体废物)直接充填采煤技术发展现状[J].采矿与安全工程学报,2009（4）:395-401.

[7]缪协兴，张吉雄，郭广礼.综合机械化固体充填采煤方法与技术研究[J].煤炭学报,2010（1）:1-6.

Numerical Simulation on Failure Law of Overlying Strata by Paste Filling Parameters

ZHANG Cheng
(Xinzhou Geological Prospecting Team of Coal Field,Xinzhou 034000,China)

In the traditional belt mining,roadway digging disturbs the stress distribution of upper rock.Under the action of secondary stress field,the roof of roadways will be deformed and damaged.When the problem gets more serious,structural instability,collapse,and failure will occur.To study the impact of different paste filling parameters on the stress distribution of the overlying rock,numerical simulation was used to achieve the influence of different filling radio and paste strength on the failure law of belt-filling mining in Xiaotun mine,taking the plastic failure range and the subsidence of the roof and coal pillars in goaf as filling effect parameters.

paste filling parameters;strata;numerical simulation

TD823.7

A

1672-5050（2015）02-0028-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.02.010

（编辑：刘新光）

2015-01-10

张诚(1968-)，男，山西偏关人，大学本科，工程师，从事矿山地质测量工作。