膏体充填采煤地表岩移规律研究

杜朝阳, 秦建锟, 魏丁一, 孙光中, 王公忠, 徐 星, 曹伟杰

1.平顶山天安煤业股份有限公司十矿,河南 平顶山 467021 2.平顶山天安煤业股份有限公司十一矿,河南 平顶山 467000 3.河南工程学院资源与安全工程学院,河南 郑州 451191

0 引言

充填采矿法由于能够充分利用矸石、尾砂等固体废弃物、有效控制采场地压、提高资源采出率等优点在矿山应用越来越广泛[1],因此许多专家对此进行了相关研究。非均布载荷作用下充填顶板岩层连续弯曲力学模型、长壁掘巷充填开采采场力学模型、充填采煤岩层移动的力学模型、煤柱-顶板力学模型等均被提出并进行工业应用,应用效果良好。

黄庆享 等[2]基于“上行裂隙”和“下行裂隙”对隔水岩组稳定性的影响,建立了2个充填条带的非水平五跨连续梁力学模型,得到充填位置、宽度、间隔宽度和隔充比是隔水岩组稳定性的主要影响因素。赵兵朝 等[3]以沙曲矿4901工作面为背景,分析了不同类型、宽度、高度及强度充填体与煤柱下承载体的稳定性。唐维军 等[4]研究了许厂煤矿建筑物下煤柱充填回收时顶板运移规律及覆岩稳定性影响因素,得到充填开采时巷道矿压显现不明显。李杨杨 等[5]运用相似试验研究了岱庄煤矿充填工作面覆岩运动规律与充填体受压变形过程,模拟结果与现场实测吻合。王炯 等[6]结合花园煤矿充填开采实测数据分析了地表静、动态移动变形规律,得出回采过程中基本不存在传统垮落法开采地表急剧下沉的活跃阶段。黄宝柱 等[7]模拟了不同充填率和采留比条件下覆岩和煤柱变化规律,现场应用表明当采区充填率80%、煤柱留宽90 m时,支架压力分布平衡,村庄影响轻微。郭忠平 等[8]运用建立的充填体和上覆矩形薄板系统力学模型,得到基本顶岩板最大下沉量为8.73 cm,与模拟结果吻合。

综上所述,许多专家从理论分析模型、相似试验及相关影响因素等方面进行了研究。为获得充填采煤应用时充填和采煤的最佳配合关系,本文以某矿工作面为试验对象,利用FLAC3D模拟对长壁面充填采场覆岩离层、位移场和应力场的演化规律进行研究,研究成果可为现场实测、数据分析和覆岩沉陷控制提供基础和理论依据。

1 工程概况

试验矿井设计生产能力为300 万t/a,煤田规格为13.5 km×3.7 km,倾角为3°～15°,井田范围内次一级褶曲、断层构造发育,是以底板溶蚀裂隙充水为主、水文地质偏复杂的岩溶充水矿床。试验对象所在煤层采深325.6 m,开采充填煤层为一1煤层,厚度为1.09 m。近水平煤层开采。

2 FLAC3D软件应用

2.1 巷道围岩岩体本构模型选择

巷道围岩属于弹塑性材料,本构模型采用理想弹塑性本构模型。本次对巷道围岩岩体采用莫尔-库仑屈服准则[9-10]。

fs=(σ1-σ3)-2ccosφ-(σ1+σ3)sinφ

(1)

式中:σ1、σ3分别是最大和最小主应力;c、φ分别为巷道围岩岩体的粘结力和摩擦角。当fs小于0时,巷道围岩岩体将发生剪切破坏。材料达到屈服极限后,在恒定应力水平下产生塑性变形。拉应力状态下,如果拉应力超过材料抗拉强度,材料将发生破坏。

2.2 煤体本构模型选择

应变软化模型用于模拟煤体等非线性材料的软化行为,模型的实现基于莫尔-库仑模型中参数的变化,这些参数都是塑性偏应变的函数。塑性剪切应变由剪切硬化参数eps测量,其增量形式如下[9]。

(2)

在应变软化模型中可以把粘聚力、内摩擦角定义为全应变中的塑性应变部分eps的函数,在FLAC3D中调整为线性变化的参数。

3 计算模型设计

3.1 模型设计原则

建立的数学和力学模型是否合适是获得准确结果的前提条件,因此须遵循下列原则。

1)影响采场围岩变形破坏的因素很多,因此模型设计必须突出岩层影响的主要因素,并尽可能考虑次要影响因素。

2)模型设计须反映出材料的物理力学性态,如材料不均匀性、不连续性、各向异性、非线性、低抗拉等。

3)模型设计须考虑边界效应,选择适当的边界条件以消除边界效应。

4)任何地下工程问题都具有时空特性,模型的设计应考虑巷道围岩内应力应变的动态变化,充分考虑巷道开挖后现场的仿真效果。

3.2 模型设计参数

由于实际建模过程中不可能与工程实际完全吻合,需要进行简化,确定模拟主要研究胶结充填采场覆岩沉陷控制参数对覆岩移动和矿压的影响。本次模拟各岩层和煤层分布如表1所示。

表1 岩性参数

模拟充填开采煤层为一1煤层(充填开采煤层),底板岩层至地表共计分为29层,模型总高度为模拟岩层的实际高度,为340.19 m。工作面长度170 m,走向长度550 m,模型宽为300 m、长650 m。煤层倾角采用岩层平均角度,为12°。

3.3 单元网格划分

模型单位采用FLAC3D内置Brick单元,模型共计单元数69 000个,节点数目为74 307个。模型如图1所示。

图1 数值模拟物理模型

3.4 边界条件和载荷模式

模型加载方式为先重力加载,从开挖煤层底板至地表的所有岩层均建立出来,赋值于各岩层的容重,应力平衡后得应力分布。模型四周边界均施加水平位移约束,底边界均施加水平位移及垂直位移约束,上部边界为自由面。

3.5 岩体力学参数

煤岩体力学参数由实测及同矿区同一岩层类比得到;计算所采用的力学参数如表2所示。层理的物理性质为:内摩擦角13°,法向刚度1.5 GPa,切向刚度0.5 GPa,粘聚力0.02 MPa。

表2 岩体物理力学性质

3.6 模拟方案

模拟采用全部充填与部分充填2种方案,由于工作面推进方向距离为550 m,开挖步距不易过小,充填采用开挖步距为18 m,充填9 m,充填率为50%。不充填采用一次性开挖,开挖距离为空间为x(100～650 m)为模型走向方向,y(100～270 m)为工作面所在方向。

4 结果比较及分析

4.1 位移变化

通过后处理程序tecplot进行分析,取工作面中部沿推进方向的一个剖面y=185,得到了其位移变化如图2(a)～(h)所示。为观测沿工作面方向的位移,在所开挖充填步采空区中部取一剖面,开挖空间的中部平面记录位移变化,如图2(i)～(l)所示。

从位移变化云图及矢量图可以看出,岩层移动随开挖面积的增加而变得剧烈,充填体使得岩层移动量减小,充填开采与未充填开采岩层最大位移量相差0.25 m,未充填开采的地表最大下沉量为0.4 m,充填开采为0.12 m,相差3倍。

图2 不同开挖和充填条件下的位移变化

图2 (续)

4.2 应力变化

图3为开挖充填步szz应力分布规律。

图3 不同开挖和充填条件下的应力分布

4.3 塑性区分布特征

图4为不同开挖和充填条件下的塑性分布。

图4 不同开挖和充填条件下的塑性分布

4.4 结果分析

图5给出了不同开挖条件下岩层下沉量的变化规律。由此可知,开挖空间越大,岩层位移量越大。开挖至126 m、充填63 m时,岩层位移量与最大值相差较小,位移量不再增加,因此可认为,充填作业使岩层完全采动影响范围减小,岩层位移量减小。由位移变化云图可知,充填开采时,岩层的位移量沿推进方向变化呈现跳跃性的变化,在充填体区域,位移量减小;在未充填区域,位移量较大。

图5 不同开挖步的岩层位移量

从应力分布结果来看,应力分布随充填范围的增加,支承压力呈现跳跃性变化,与位移变化的跳跃步恰好错开,位移大的地方应力较小,应力大的地方位移趋近于0,且孤立的充填体在围岩发生变形的过程中,不是单独承载,而是以整体承受载荷的形式出现;从模拟过程来看,走向长度共计550 m,开挖步至少需要30步,每一步开挖,进行50%的条带充填,从应力变化云图中可知形成了承载体,如图6所示。

从图6可以看出,膏体充填不是单个条带形成承载结构,而是相邻条带失稳从而使上覆岩层应力转移到承载条带上,形成了稳定结构,也使工作面前方与后方支承压力变化减小。

从塑性区破坏来看,充填采矿采场塑性区扩展呈跳跃性变化,其变化于垂直应力分布一致。相比未充填采矿而言,充填采矿的塑性区变化较小,上覆岩层运动的变化也相对缓和。

图6 充填采矿垂直方向应力分布规律

图7和图8给出了充填开采与未充填开采其地表变化情况。从图中可以看出,充填开采地表变形量较小,且不出现突变的变形,变形曲率变化较缓和;而未充填开采时,地表变形量较大,且出现急剧变化。

图7 充填开采地表位移变化 图8 未充填开采地表位移变化

5 结束语

通过FLAC3D数值计算,分析了充填参数与材料参数对岩层移动的影响特点,得到了保证地表合理移动范围的条带宽度及采充比。地表沉陷数据观测结果表明,与未充填开采相比,充填开采条件下地面建筑物损坏等级控制在Ⅰ级以内,损坏分类为极轻微,满足地面建筑物和水体保护要求。

研究采用的泵送矸石充填开采技术体系,既达到地表沉陷小、实现“三下”煤炭开采的目的,又能够实现大量固废资源化利用,最大程度提高煤炭回收率,延长矿井服务年限,为泵送矸石充填采煤技术的全面实施提供参考。