膏體充填參數對上覆巖層破壞規律的數值模擬研究

張誠

（忻州市煤田地質勘探隊,山西忻州 034000）

膏體充填參數對上覆巖層破壞規律的數值模擬研究

張誠

（忻州市煤田地質勘探隊,山西忻州 034000）

傳統的條帶開采中，巷道開挖后擾動了巷道上方原巖應力的分布狀態，巷道上方的頂板在二次應力場的作用下會發生變形、破壞，嚴重時會導致結構失穩、垮塌和破壞。為研究不同的膏體充填參數對覆巖應力分布規律的影響，本文運用數值模擬的手段以小屯礦條帶充填開采為背景，選取采空區頂板及煤柱塑性區破壞范圍、巷道頂板和煤柱的下沉量作為充填體的充填效果，得出不同充填體的充填率、充填體強度對上覆巖層破壞規律的影響。

膏體充填參數；巖層；數值模擬

1 數值模擬方法的確定

在巖土工程與地質材料的力學行為數值模擬計算中以拉格朗日法為代表的FLAC軟件與離散單元法所代表的UDEC軟件是兩種行之有效的解決手段[1-3]。

FLAC3D是一種基于三維有限差分法以巖石力學為基礎理論，根據巖土或其他材料的物理力學參數及地質構造特性的數值分析方法。由于混合了單元離散模型，采用有限差分格式可以準確模擬多種材料與非規則區域邊界條件的力學動態行為，在外力載荷及邊界條件的約束下，同時可以準確的模擬材料的屈服、塑性流動、甚至大變形的應力-應變關系。垮落帶和彎曲下沉帶而不會出現垮落破壞，頂板的上覆巖層可以按照連續介質的問題研究。因此，選用FLAC3D數值模擬軟件進行膏體條帶充填的模擬計算，為膏體條帶充填提供一定的理論依據。

2 FLCA3D數值模擬方案的建立

2.1 基本假定

小屯煤礦屬于近水平煤層，因此在數值模擬計算時，煤層按水平考慮。為提高運算速度與精度，精確的分析采空區頂板及煤柱的受力狀態及應力分布規律，將模型分為頂底板與煤層共三層。模型的上邊界以上覆巖層的地應力作為邊界加載條件，根據公式（1）得出模型上邊界的應力：

式中：q模型上邊界的應力，MPa；γ為為上覆巖層的容重，N/m3；g為重力加速度，g/cm3；h為煤層埋深，m。

煤層頂板為粗粉砂巖，底板為細粒砂巖。由于采空區頂板巷道使用錨噴網聯合支護，所以在模型力學參數上進行加強。由于巷道圍巖采用了錨網支護，所以在力學參數上進行了加強。模型網格剖分圖，見圖1。

模型在X方向上取110 m，在Y方向上取100 m。模型高40 m，其中頂板與底板為便于計算各取18 m，煤厚為4 m，位于Z=18～20 m之間。在煤層18～22 m的區間內，布置4條充填巷道，同時留設3個隔離煤柱，同時為減輕邊界效應的影響在模型的左右邊界在X方向各留設28 m的煤柱。

2.2 膏體材料與巖石的物理力學參數的選取

為提高數值模擬的準確性，使模擬結果更真實的采空區上覆巖層與煤柱的變形與破壞以及充填體的充填效果，模擬采用的煤巖層物理力學參數主要根據實驗室實測數據與相關理論研究成果得出，頂底板的泊松比μ取0.47；充填體的泊松比μ取0.25；煤體的泊松比μ取0.3。煤巖層的物理力學參數，如表1所示。

2.3 邊界條件的確定

小屯煤礦膏體條帶充填計算模型邊界條件確定如下：

1）水平與初始位移：模型底部邊界的水平與垂直的初始位移為零；而模型前后與左右的兩端的邊界水平初始位移均為零。

2）水平與垂直應力：根據公式（2）可知，模型的底部施加上負巖層自重應力的的等效載荷。式中：γ為上覆巖層的容重，N/m3；H為模型底部邊界的埋深，m；σs為垂直應力，MPa。

由公式（3）得出，模型邊界的前后左右在水平方向上施加由自重應力產生的側向應力。

式中：λ為側壓系數；μ為泊松比；σs為垂直應力，MPa。

3 不同充填率對上覆巖層的數值模擬分析

充填率與充填體強度是膏體充填的關鍵參數。為研究不同充填率及充填體強度對采空區頂板及煤柱的應力分析，數值模擬不同充填參數對上覆巖層的應力分布及塑性區破壞影響范圍分兩種情況：一是保持充填體強度不變，模擬不同膏體材料充填率（70%、80%、90%、100%）對工作面頂板與隔離煤柱的塑形區破壞范圍，以及頂板的垂直應力于煤柱的垂直應力。二是保持膏體材料的充填率不變，通過分析充填區域不同充填體強度的塑性區破壞范圍，得出不同充填體強度對采空區頂板及煤柱的充填效果。

隨著原煤不斷采出，采空區頂板在上覆巖層垂直應力的作用下會發生沉降。

由于充填體的充填率是相對于采空區頂板沉降后的實際空間，因而充填體的體積要小于原煤采出的體積。根據配比試驗得出的最優配比，其充填體強度為3.57 MPa，模擬在充填體強度確定的情況下，選擇不同的膏體材料充填率（70%、80%、90%、100%）對工作面頂板與隔離煤柱的塑形區破壞范圍，以及頂板的垂直應力與垂直位移。不同充填率的塑性區破壞范圍及頂板的垂直應力與垂直位移，見圖2-圖6。

由圖2-圖6可以看出，當采空區完全不充填時，采空區的頂板與底板板會發生剪切與拉伸破壞，造成頂板垮落破壞與底鼓。隨著充填體的充填率由70%增加至100%，上覆巖層的垂直應力對塑性區破壞影響幅度逐漸變小。對比充填率為90% 和100%的采空區塑性破壞范圍及頂板的垂直位移可知，兩種不同充填率的破壞范圍基本相同，前者的采空區頂板垂直位移比后者增加2.14%，而配比膏體材料的膨脹率為2.25%，完全可以滿足主動接頂要求。

由圖7-圖11可以看出,采空區頂板垂直位移隨充填率的增加呈線性減小。隨著充填率的不斷增加，充填體控制頂板的能力不斷增強，從而約束頂板與隔離煤柱的位移。由于在模擬的膏體材料不是隨著巷道的推進而隨采隨充，頂板在未充入膏體材料時已有部分下沉量。因此，在實際充填作業時應最大限度的減小頂板下沉量。

4 結論

充填率與充填體強度是膏體充填的關鍵參數。通過研究不同充填率及充填體強度對采空區頂板及煤柱的應力分析得出當采空區完全不充填時，采空區的頂板與底板板會發生剪切與拉伸破壞，造成頂板垮落破壞與底鼓。采空區頂板垂直位移隨充填率的增加呈線性減小。隨著充填率的不斷增加，充填體控制頂板的能力不斷增強。

參考文獻：

[1]李俊，寇云鵬，楊震，等.“三下”壓煤充填開采研究現狀綜述[J].黑龍江科技信息,2012（12）:43-44.

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[3]繆協興.綜合機械化固體充填采煤技術研究進展[J].煤炭學報,2012（8）:1247-1255.

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[5]胡炳南.我國煤礦充填開采技術及其發展趨勢[J].煤炭科學技術,2012（11）:1-5，18.

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[7]繆協興，張吉雄，郭廣禮.綜合機械化固體充填采煤方法與技術研究[J].煤炭學報,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

（編輯：劉新光）

2015-01-10

張誠(1968-)，男，山西偏關人，大學本科，工程師，從事礦山地質測量工作。