基于PHASE2D 的充填開(kāi)采工作面覆巖穩(wěn)定性研究

李鶴鶴 冀宇鑫 宋高峰

（北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100144）

隨著國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重視，煤炭開(kāi)采也越來(lái)越向著綠色開(kāi)采、環(huán)保開(kāi)采的方向發(fā)展[1-3]。充填開(kāi)采技術(shù)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)固體廢棄物（主要成分為煤矸石）進(jìn)行回填處理，減小廢棄物污染，做到保護(hù)生態(tài)環(huán)境，還可以實(shí)現(xiàn)有效控制巖層移動(dòng)和減少頂板下沉[4-6]。綠色充填開(kāi)采已成為綠色煤礦開(kāi)采框架中的一個(gè)重要構(gòu)成部分[7-8]。

針對(duì)開(kāi)采步距及開(kāi)采厚度對(duì)充填開(kāi)采的覆巖移動(dòng)及巖層控制的影響，采用PHASE 2D 有限元軟件，分析充填開(kāi)采不同開(kāi)采步距及煤層厚度條件下工作面前方煤體塑性區(qū)、直接頂下沉量及巖層垂直位移變化規(guī)律，為控制充填開(kāi)采工作面覆巖移動(dòng)提供依據(jù)。

1 數(shù)值模型建立

1.1 工況概括

數(shù)值模擬以趙固二礦充填工作面為工程背景，研究不同開(kāi)采步距及開(kāi)采厚度條件下長(zhǎng)壁充填開(kāi)采工作面前方煤體塑性區(qū)、直接頂下沉量及巖層垂直位移演化規(guī)律。充填工作面傾斜長(zhǎng)度200 m，走向長(zhǎng)度2000 m，煤層厚度4 m 左右，煤層平均傾角5°，為近水平煤層。煤體內(nèi)生裂隙發(fā)育，煤質(zhì)堅(jiān)硬。

1.2 模型介紹

運(yùn)用PHASE 2D 有限元軟件建立數(shù)值模型，模型平面形狀為長(zhǎng)方形，模型水平方向長(zhǎng)400 m，垂直方向高100 m。模型左、右邊界施加水平方向鏈桿約束，上部邊界施加等效應(yīng)力，下部邊界為施加垂直向上鏈桿約束。建立的數(shù)值模型中總共包括18 120 個(gè)單元，35 815 個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型開(kāi)采范圍為100～300 m，即工作面推進(jìn)了200 m。模擬煤層深度為270 m，煤層厚度為3 m，左右兩側(cè)各留100 m煤柱，煤層底部距離模型底端30 m。由于模型中僅模擬了煤層上方70 m 厚的巖層，故在模型頂部施加了5.5 MPa 的補(bǔ)償應(yīng)力，以模擬模型上方200 m厚巖層的重量。模擬研究不同開(kāi)采步距及煤層厚度條件下的圍巖穩(wěn)定性情況，其中開(kāi)采步距分別為1 m、3 m、5 m 共三個(gè)方案，煤層開(kāi)采高度分別為3 m、4 m、5 m 共三個(gè)方案。

模型的地層結(jié)構(gòu)從上到下依次為粉砂巖、粗砂巖、細(xì)粉砂巖、泥巖、煤層、泥巖、粉砂巖、石灰?guī)r。模型采用霍克-布朗強(qiáng)度準(zhǔn)則，各個(gè)巖層的煤巖體參數(shù)見(jiàn)表1，其中，v為泊松比；σci為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；GSI 為地質(zhì)強(qiáng)度系數(shù)；mi為巖石常數(shù)；mb為巖石折減系數(shù)；m、α為巖體常數(shù)；Em為彈性模量，MPa。

表1 煤巖霍克-布朗強(qiáng)度參數(shù)

2 覆巖移動(dòng)及采場(chǎng)應(yīng)力分布規(guī)律

2.1 開(kāi)采步距

2.1.1 工作面前方塑性區(qū)

模型工作面推進(jìn)200 m 后，工作面前方塑性區(qū)如圖1 所示。由圖可以看出，工作面前方煤體塑性區(qū)呈現(xiàn)出上部寬、下部窄的特征。當(dāng)開(kāi)采步距為1 m 時(shí)，工作面前方塑性區(qū)寬度為2.965 m；當(dāng)開(kāi)采步距為3 m 時(shí)，工作面前方塑性區(qū)寬度為2.944 m；當(dāng)開(kāi)采步距為5 m 時(shí)，工作面前方塑性區(qū)為2.864 m。因而，隨著開(kāi)采步距的增大，工作面前方塑性區(qū)略微減小，特別是當(dāng)工作面開(kāi)采步距較小的條件下。

圖1 工作面前方煤體塑性區(qū)

2.1.2 直接頂下沉量

模型工作面推進(jìn)200 m 后，工作面前、后方直接頂下沉量如圖2。由圖可以看出，在工作面前方距離工作面距離越遠(yuǎn)，直接頂下沉量表現(xiàn)為逐漸減小，在工作面后方距離工作面距離越遠(yuǎn)，直接頂下沉量表現(xiàn)為逐漸增大。當(dāng)開(kāi)采步距為1 m 時(shí)，工作面直接頂下沉量最大值34.3 mm；當(dāng)開(kāi)采步距為3 m 時(shí)，工作面直接頂下沉量最大值為32.5 mm；當(dāng)開(kāi)采步距為5 m 時(shí)，工作面直接頂下沉量最大值為28.0 mm。開(kāi)采步距由1 m 增至3 m，直接頂下沉量略微減小，開(kāi)采步距由3 m 增至5 m，直接頂下沉量減小幅度進(jìn)一步增大。因此，隨著開(kāi)采步距的增大，直接頂下沉量表現(xiàn)為逐漸減小，特別是開(kāi)采步距由3 m 增大為5 m 時(shí)，直接頂下沉量最大值減小幅度明顯，降幅達(dá)到18%。

圖2 不同開(kāi)采步距直接頂下沉量

2.1.3 巖層垂直位移

模型工作面推進(jìn)200 m后，巖層垂直位移如圖3?？梢钥闯?，巖層垂直位移表現(xiàn)為兩端小、中間大的特征，巖層最大垂直位移集中在中間位置。當(dāng)開(kāi)采步距為1 m 時(shí)，巖層垂直位移最大值為75 mm；當(dāng)開(kāi)采步距為3 m 時(shí)，巖層垂直位移最大值為69 mm；當(dāng)開(kāi)采步距為5 m 時(shí)，巖層垂直位移最大值為61 mm。由此可以看出，隨著開(kāi)采步距的增大，巖層垂直位移不斷減小。

圖3 不同開(kāi)采步距覆巖垂直位移

2.2 煤層厚度

2.2.1 煤體塑性區(qū)

模型工作面推進(jìn)200 m 后，工作面前方塑性區(qū)如圖4 所示?？梢钥闯?，當(dāng)煤層開(kāi)采厚度為3 m 時(shí)，工作面前方塑性區(qū)寬度為2.965 m；當(dāng)煤層開(kāi)采厚度為4 m 時(shí)，工作面前方塑性區(qū)寬度為4.341 m；當(dāng)煤層開(kāi)采厚度為5 m 時(shí)，工作面前方塑性區(qū)寬度為5.302 m。其中煤層開(kāi)采厚度由3 m 增至4 m 后，工作面前方煤體塑性區(qū)增大了46%；煤層開(kāi)采厚度由4 m 增至5 m 后，工作面前方煤體塑性區(qū)增大了22%。由此可以看出，工作面前方煤體塑性區(qū)寬度隨著煤層開(kāi)采厚度的增大而逐漸增大，工作面塑性區(qū)的增大，發(fā)生煤壁片幫的概率會(huì)增大。

圖4 工作面前方煤體塑性區(qū)

2.2.2 直接頂下沉量

模型推進(jìn)200 m 后，直接頂下沉量如圖5 所示。從工作面后方至工作面前方，直接頂下沉量不斷減小且在工作面前方逐漸趨近于0。當(dāng)煤層開(kāi)采厚度為3 m、4 m、5 m 時(shí)，對(duì)應(yīng)直接頂下沉量最大值分別為34.3 mm、39.6 mm、44.3 mm。其中煤層開(kāi)采厚度由3 m 增至4 m 后，直接頂下沉量最大值增大了15%；煤層開(kāi)采厚度由4 m 增至5 m 后，直接頂下沉量最大值增大了12%。煤層開(kāi)采步距由3 m 增至4 m 后增大幅度比煤層開(kāi)采步距由4 m 增至5 m后增大幅度略大。隨著開(kāi)采厚度的增大，直接頂下沉量不斷增大，由于直接頂?shù)南鲁習(xí)?dǎo)致工作面煤壁壓縮，因此隨著工作面開(kāi)采高度的增大和頂板下沉量的增大，發(fā)生煤壁片幫災(zāi)害事故的風(fēng)險(xiǎn)也顯著增大，工作面圍巖穩(wěn)定性降低。

圖5 不同煤層厚度直接頂下沉量

2.2.3 巖層垂直位移

模型推進(jìn)200 m 后，巖層垂直位移曲線如圖6所示。巖層垂直位移最大值位于中間位置，兩端巖層垂直位移趨近于0。當(dāng)煤層厚度為3 m 時(shí)，巖層垂直位移最大值為75 mm；當(dāng)煤層厚度為4 m 時(shí)，巖層垂直位移最大值為85 mm；當(dāng)煤層厚度為5 m時(shí)，巖層垂直位移最大值為94 mm。由此可以看出，隨著煤層厚度的增加，巖層垂直位移最大值表現(xiàn)為逐漸增大。煤層厚度由3 m 增大至4 m 時(shí)，巖層垂直位移最大值增大10 mm；煤層厚度由4 m 增大至5 m 時(shí)，巖層垂直位移最大值增大9 mm。隨著開(kāi)采高度的增大，巖層垂直位移增大幅度略微減小，適當(dāng)降低開(kāi)采高度能夠提高圍巖穩(wěn)定性。

圖6 不同煤層厚度垂直位移

3 結(jié)論

（1）開(kāi)采步距由3 m 增至5 m 后，工作面前方煤體塑性區(qū)從2.965 m 降至2.864 m，直接頂下沉量減小18%，巖層垂直位移最大值減小14 mm。增大開(kāi)采步距，可以提高圍巖穩(wěn)定性及降低工作面前方煤壁發(fā)生大面積片幫的概率。

（2）煤層開(kāi)采厚度由3 m 增至5 m 后，工作面前方煤體塑性區(qū)增大了79%，直接頂下沉量最大值由34.3 mm 增至44.3 mm，巖層垂直位移最大值增大了25%，增大煤層開(kāi)采高度對(duì)巖層垂直位移和工作面前方煤體塑性區(qū)影響相對(duì)較大。隨著煤層開(kāi)采高度的增加，工作面前方煤壁和圍巖穩(wěn)定性有所降低。

（3）開(kāi)采步距、煤層厚度都是影響覆巖移動(dòng)及采場(chǎng)應(yīng)力分布的因素，合理設(shè)置兩個(gè)因素，可以有效控制最終地表允許變形量，增大開(kāi)采步距、減小煤層厚度可以有效控制覆巖移動(dòng)，提高圍巖穩(wěn)定性。