建下煤體充填開采數值模擬分析研究

朱子良 王雁冰 薛華俊

(1．福樂定工業有限責任公司，安徽 淮北 235025; 2．中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)

1 概述

楊莊煤礦3642采面所在的Ⅲ64采區對應地表位置位于淮北市烈山區濉溪縣境內，南至南三橋以南500 m;北至后大街以北200 m;東至鐵路東側250 m;西至東城糧站北關分社。采區地表沿線分布有眾多建筑物，屬于典型建下壓煤問題。楊莊煤礦擬采用充填開采法對Ⅲ64采區煤體進行矸石充填開采，從而有效控制地表沉降和減輕煤層開采對地面建筑物的威脅，實現煤炭資源綠色安全開采。

2 FLAC3D初始模型的建立

由于楊莊煤礦煤層傾角小于5°，屬于近水平煤層范疇，故在FLAC3D初始模型建立時，把它當作水平煤層進行設計。FLAC3D模擬模型大小的設計與最后模擬結果的誤差大小有著重要的影響，模型范圍過大，計算速度太慢，模型范圍過小，計算結果與現實情況差別太大，不符合實際情況，對現場不具有指導意義。故FLAC3D初始模型大小的設計非常重要。為了更清晰地分析煤層及頂底板應力，整個模型從上到下依次為老頂、直接頂、煤層、直接底、老底。在模型的上部邊界上施加應力邊界條件，即上部邊界上覆巖層重量，其施加的荷載q為均布荷載，大小為∑γgh，與上覆巖層的容重和埋藏深度成正比例關系，其中，g為重力加速度，這里取9．8 m/s2;γ為上覆巖層的容重;h為埋藏深度，這里取415 m。煤層直接頂和直接底均為泥巖，老頂和老底均為砂巖。由于巷道圍巖采用了錨網聯合支護，所以在模型力學參數的設置上進行了適當修正加強。綜上所述，為了與現場地質情況盡可能一致的同時考慮到建模的方便及合理，模型共劃分為54 000個單元，60 016個節點，初始模型網格示意圖如圖1所示。

圖1 初始模型網格示意圖

整個模型的長寬高尺寸分別為120 m×30 m×43．5 m，在X方向上取120 m，在Y方向上取30 m，在Z方向上取43．5 m，其中頂板厚20 m、煤層厚3．5 m(位于Z=20 m～23．5 m區域)、底板厚20 m。依據現場實際情況，并保證模擬的真實可靠性，盡量避免模型邊界效應的負面影響，在模型的煤層區域內，在模型X方向，各距模型左右邊界20 m～40 m不等區域內模擬了矸石充填巷采區域，設置了相應的隔離煤柱和巷道，其中巷道5條、隔離煤柱4個，并按需要設置了一定的寬度。在保證計算精度的前提下，為節省單元，提高模型的運算速度，按區域需要來考慮，對重點研究區域可以進行網格加密處理。這里選取模型內部Y方向15 m處的剖面進行研究探討，目的就是為了消除模型前后邊界對分析結果的影響。

3 FLAC3D模型邊界條件的設置

FLAC3D模擬模型施加邊界條件依照如下兩個原則:1)將模型Z方向下邊界的豎直、水平初始位移均定義為0;2)在模型X方向和Y方向的四個邊界上同時施加水平約束，并將邊界水平初始位移定義為0。

在模型Z方向下邊界上設置大小為γH(其中，γ為上覆巖層的平均容重，這里取25 kN/m3;H為地表到模型Z方向下邊界的距離，m)的上覆巖層自重應力，其為下覆巖層反力等效的荷載σz。

在模型X方向的兩個側面和Y方向的兩個側面上分別施加大小為σx和σy側向應力荷載，大小為λγH(其中，λ為側壓系數為泊松比)，這里的側向應力荷載是由自重應力產生的［1-3］。

4 矸石充填巷式開采FLAC3D數值模擬研究

矸石充填巷式開采FLAC3D數值模擬研究的目的主要有三個，分別為充填矸石對煤柱側限應力的影響、煤柱附加應力的大小和采空區覆巖下沉量的大小。其中對這三項研究內容起主要作用的分別是煤壁水平應力、煤柱豎直應力和巷道頂板豎直應力，但由于開挖巷道造成的應力集中使得煤柱和覆巖在同一個截面上各個位置的應力可能不相等，在保證模型不失真的前提下為簡化起見，這里主要選取煤柱煤壁向里0．2 m豎向截面平均水平應力來分析充填矸石對煤柱側限應力的影響，選取煤柱高3．0 m處水平截面最大豎直應力來分析煤柱附加應力的大小，選取巷道頂板1．0 m處水平截面巷道頂板中線處豎直應力來分析采空區覆巖下沉量的大小，如圖2所示［4］。其中巷道覆巖下沉量、覆巖破壞程度分別與巷道頂板豎直應力大小具有反比例關系。

圖2 數值模擬分析圖

開采巷道采用矸石進行充填，使預留的隔離煤柱處于三向受壓狀態(充填后隔離煤柱的側向壓應力主要由上覆巖層對充填矸石的壓力、充填矸石自重靜態壓力的水平分力和因隔離煤柱膨脹而引起的被動壓應力構成)，對隔離煤柱承載能力的增強和自身強度的提高具有很大的作用。矸石對巷道的充填，不僅能有效減小巷道的頂板下沉量和承擔部分上覆巖層的重量，而且能對因巷道開挖造成的應力集中現象的減小具有積極作用。通過FLAC3D軟件對不采用矸石充填和采用矸石進行充填的巷道(這里開采巷道寬度設置為5 m，隔離煤柱寬度設置為10 m)進行數值模擬分析，得出了煤壁水平應力、煤柱豎直應力和巷道頂板豎直應力大小在兩種條件下的模型數據，如表1所示。

表1 模型數據對照表 MPa

從表1可以看出，在未用矸石充填的巷式開采巷道中，煤壁水平應力、煤柱豎直應力、巷道頂板豎直應力分別為1．5 MPa，22 MPa，0．624 MPa;而用矸石進行充填的開采巷道中，三項應力指標分別為 3 MPa，13 MPa，4．43 MPa。可見，充填后煤壁水平應力大約增加了1倍，煤柱最大豎直應力減小了約40%，頂板豎直應力增加了7倍多。

模擬模型未充填和采用矸石充填的巷式開采巷道破壞區域分布示意圖分別如圖3，圖4所示。由圖3與圖4的對比分析可以明顯看出，圖3中的巷道由于未用矸石進行充填，在巷道頂板、底板的很大范圍內和隔離煤柱的過半面積的單元都發生了嚴重的剪切和拉伸破壞，巷道頂底板和兩幫變形嚴重，有很大的安全隱患;圖4中的巷道由于采用矸石對開采巷道進行充填，由于充填矸石能為煤柱提供側限作用和為頂板巖層起到支撐作用，故模型只在充填巷道的頂底板和其附近煤柱的小部分范圍內的單元發生了拉剪破壞。巷道充填后，破壞范圍小，說明模型設置的巷道開采寬度和隔離煤柱的留設寬度合適，并且充填矸石很大程度上對覆巖和煤柱起到了保護作用。

圖3 未充填的巷式開采巷道破壞區分布圖

圖4 矸石充填的巷式開采巷道破壞區分布圖

5 結語

用FLAC3D數值模擬軟件對楊莊煤礦3642采面Ⅲ64采區充填和不充填開挖過程進行數值模擬分析比較，得出充填開挖能很大程度上減小開挖巷道上覆圍巖的下沉量和破壞，并為煤柱提供很強的側限作用，對控制地表沉降，減輕煤層開采對地面建筑物的威脅具有重要的意義。

［1] 陳育民，徐鼎平．FLAC/FLAC3D基礎與工程實例［M］．北京:中國水利水電出版社，2009:74-93．

［2] 連小林，馮光明，韓曉東，等．超高水材料開放式充填FLAC3D數值模擬應用研究［J］．煤礦開采，2011，16(1):4-7．

［3] 劉鵬亮．邢東礦充填巷式開采數值模擬與現場實測研究［D］．北京:煤炭科學研究總院，2007．

［4] 胡炳南．粉煤灰充填對控制巖層移動的理論研究［J］．煤礦開采，1991(2):29-32．