充填开采覆岩变形破坏数值模拟研究

李旭波 李旭鹏

（1.山西晋煤集团泽州天安煤业有限公司，山西 晋城 048000；2.潞安集团常村煤矿，山西 长治 046000）

本文以煤矿充填开采技术为研究背景，将该矿充填开采过程中实际测量的数据与通过数值模拟方法研究的理论结果进行对比，研究固体充填开采问题，对现场实践有很好的推动作用。

1 FLAC3D数值分析软件简介

FLAC3D技术是目前工程方面的通用型软件，涉及领域包括土木工程建设、交通设施建设、水利工程设施建设、石油及采矿工程、环境工程等。作为ITASCA软件产品中的明星产品软件，FLAC3D技术在学术界和实务界具有良好的声誉，特别是在国际土木工程和岩土工程方面。FLAC3D所使用的显现式拉格流动以及变形都能朗日算法和混合-离散技术，在材料得出模拟的流动和塑性破坏方面都达到了非常精确的程度。无形形成的刚度矩阵，在很小的内存空间内就能够最大范围的解决问题。

根据三维显式有限差分法的数值分析方法在学术界被称为三维快速拉格朗日法，可以有效地实现对岩土或其他材料的三维力学行为的模拟。三维快速拉格朗日算法在模拟大变形的问题上非常的专业。它的计算方法是通过分析计算区域内遵循指定的线性或其他型的本构关系的四面体单元的若干个在给定的边界条件的情况下的计算情况。如果在应力的作用下，材料发生了变形或产生塑性流动，随着材料的变形，单元网格也会发生相应的改变。三维快速拉格朗日应用混合单元离散模型在分析采用显式有限差分格式来求解场的控制微分方程的方式，在模拟材料的屈服、塑性流动、软化甚至是大变形方面达到了非常精确的程度。这种精确性尤其体现在材料模拟施工过程和材料的变形分析等多种领域。

2 工作面概况

山西晋煤集团泽州天安煤业有限公司91301工作面位于9#煤一采区西南侧，东距晋城市约22km，东侧约2km处有晋（城）韩（城）公路通过，南距晋阳高速公路约8km，距晋北集煤站约25km，各乡村均有公路相连，交通运输条件方便。工作面对应地表位置无河流、水体、村庄、构筑物、铁路、公路、管线及其他设施。91301首采工作面位于该矿9#煤层+705m水平采区，煤层底板标高702.6～728.9m，该面是该矿第一个综采工作面。91301工作面长度150m，走向长度480m，煤层倾角2～4°，面积为73500m2，煤层厚1.05～2.13m，设计采高2.13m，容重1.5t/m3。工作面上方无房屋等建筑，但采空后因地表下陷，要定时巡查地表塌陷情况。

91301工作面范围内煤层厚度为1.05～2.13m，平均厚2.03m，盖山厚度为102～130m。91301工作面范围内煤层为南北走向，上山开采，倾角为2～4°，变化较小。煤层厚度及层位稳定，结构简单，不含矸石，为黑色—灰黑色、光亮型煤，似金属光泽，条带状结构，层状构造，阶梯状、贝壳状断口，条痕灰黑色，质坚硬，裂隙不发育。煤岩组分以亮煤、镜煤为主，次为暗煤和丝炭，矿物质中黄铁矿含量高。工作面煤层情况见表1。

表1 91301工作面煤层情况表

2.1 煤层顶板

伪顶：无；

直接顶：泥岩，厚约2～3m，灰黑色，质密，较硬；

老顶：细粒砂岩，厚约2.0m，灰白色，质硬。

顶板粉砂岩抗压强度为23.6～31.4MPa，平均26.7MPa，为中等坚硬岩石，抗拉强度为0.27～1.02MPa，平均0.56MPa，抗切强度为2.93～4.40MPa，平均3.84MPa。

2.2 煤层底板

直接底：泥岩，厚约1.5m，灰黑色，质密，较硬；老底：细砂岩，厚约7m，灰白色，质硬。

底板砂质泥岩抗压强度为56.4～68.0MPa，平均63.3MPa，为坚硬岩石，抗拉强度为1.49～2.12MPa，平均1.87MPa，抗切强度为1.95～5.26MPa，平均3.20MPa。

工作面煤层顶底板情况见下表2。

表2 91301工作面煤层顶底板情况

3 建立计算模型

3.1 模型简化

通过FLAC3D数值模拟的方法研究煤矿充填规律，以该矿开采工作面91301工作面为例，进行模型抽像化，煤层厚度取平均值2m，由于该工作面倾角不大，近水平开采，为简化计算，设置煤层倾角为0°。

3.2 模拟工况

本文以常规垮落法与固体充填开采对比，研究充填开采变形规律。因此建立传统垮落法及固体充填开采两种模型。根据岩层、煤层以及充填体的物理特性，选取不同的模型，具体如下表。模型尺寸=600×1600×1700，建立的三维模型见图1所示。

表3 不同地质及模型

图1 煤矿固体充填开采工作面数值模型

校准流程如图2所示。

3.3 数值分析结果

（1）上覆岩层沉陷特点

根据数值计算结果分析图3可知固体充填过程中不同位置岩层沉陷情况。工作面推进0～240m过程中，下沉值达到100mm的区域逐渐增大，工作面推进到200多米时，地表下沉值均超过100mm，顶板最大下沉值达到589mm。剩余两期开采过程中，从开切眼位置到推进160m的范围下沉均达到100mm，固体充填压缩率不超过22%，在可控范围之内。

图2 参数选取流程图

图3 充填开采数值模拟不同推进位置下沉图

随着工作面的不断推进，顶板最大沉陷区域逐渐移向工作面推进位置，而地表最大沉陷区域并没有出现过度偏移的情况，该结果表明充填体已被压实。

（2）地表移动变形特征

根据推进过程中不同位置地表下沉情况图可以得出，随着工作面的推进，地表下沉值及范围均不断增大。工作面刚推进过程中，由于上覆岩层受到采动影响小，地表受影响不大，下沉曲线偏向推进方向移动；随着工作面的不断推进，沉陷曲线先下降，到达最大值后对称上升，呈现抛物线形态。

图4 工作面推进过程中下沉情况

4 结论

对于煤矿“三下”开采（水体下、建筑物下、铁路下特殊开采技术），采空区充填是一种有效的方法。采用该方法可以大大提高煤矿开采的安全性，同时开采率也可以得到提高，对生态环境的保护也有积极的意义，并且常规的压煤、煤矸石占用空间等问题也得以解决，因此充填开采有着很好效果。