基于采空區剛度演化的采場圍巖穩定性分析*

張 楊,許廣輝,李鶴鶴,宋高峰

(北方工業大學 土木工程學院,北京 100144)

0 引言

煤炭資源在我國能源結構中占據著主體地位,在未來很長一段時間內,煤炭將仍然是我國的主體能源[1]。目前我國絕大多數煤礦采用垮落法處理采空區,垮落法則是讓直接頂自行垮落或強制垮落到采空區[2]。由于上覆巖層的重量由采空區、液壓支架、工作面實體煤共同承擔,當采空區剛度較大時,能夠承擔更多的上覆巖層重量,具有更高的穩定性,因此不同的采空區剛度對工作面支承壓力分布及覆巖移動具有顯著的影響[3]。隨著工作面推進,采空區矸石不斷冒落并逐漸被壓實,因此采空區剛度是動態演化的。

許多學者通過數值模型對采空區進行了模擬。例如,朱廣安等[4]基于采空區壓實度理論和雙屈服模型,采用FLAC3D軟件模擬了孤島工作面采空區對覆巖規律、應力演化和地表下沉量的影響;蔣力帥等[5]基于采動應力與覆巖破壞特征的耦合分析,通過對FLAC3D中本構模型的二次開發,分析了采空區高度對超前支承壓力分布、采空區應力恢復和側向煤柱集中應力的影響;白慶升等[6]基于采空區壓實理論,運用FLAC3D對雙屈服模型進行了二次開發,反演了地表下沉和支承壓力等采動響應;馮友良[7]基于改進采空區壓實效應數值試驗研究,利用FLAC3D中FISH語言研究了采空區應力和變形特征,提供了一種新的采場圍巖穩定性研究思路;王磊等[8]基于半無限長梁與彈性基礎模型,應用FLAC3D模擬軟件,得到了支承壓力分布規律與矸石壓實度之間的關聯;洛鋒等[9]通過數值模擬不同采場采空區情況,采用FISH語言提取各階段數值,得到了煤層及采空區的應力演化規律和分區特征;許國勝等[10]基于采動巖層空間載荷守恒原則,利用3DEC軟件建立數值模型,獲得了上覆巖層應力分布規律。

當前臨床認為糖尿病隨著血脂上升的主要機理是因為[5]，糖尿病可能造成患者自身免疫出現問題，造成胰島素水平降低，另外外周靶組織在脂肪組織中和肝臟內部出現胰島素抵抗情況[6]，讓在正常水平下胰島素無法正常工作，無法獲取夠量的葡萄糖，特別是對于肝臟、肌肉以及脂肪組織等對胰島素較為敏感的組織結構來說，無法攝取到適量的葡萄糖導致肝葡萄糖輸出抑制效果差[7]。

為此,在前人研究成果的基礎上,使用PHASE 2D有限元程序軟件建立采空區剛度演化數值模型[11],包括高剛度、低剛度和變剛度采空區3個數值模型,研究采空區剛度對采場圍巖穩定性的影響,以期獲得工作面煤體塑性區發展規律,以及工作面前后方直接頂下沉量、覆巖垂直位移演化規律和工作面支承壓力增高系數等。

1 工程概況

以某礦1215工作面為工程背景進行數值模擬分析,建立3個不同剛度的數值模型,探究不同采空區剛度對煤體穩定性、圍巖位移和支承壓力的影響。該工作面傾斜長度189 m,走向長度1 200 m,煤層厚度在2.94～3.54 m,煤層傾角在2.6°～15.2°,平均傾角7.69°,煤層埋深約為270 m。煤質較好,但煤體內部存在裂隙,部分裂隙被滑石和方解石充填。

2 數值模型建立

采用Hoek-Brown強度準則來確定模型中各巖石材料的參數取值[12-14],表1中為各巖層和煤層的材料參數。其中,v為泊松比;Em為彈性模量;σci為完整巖塊單軸抗壓強度;GSI,mb,s和α為巖石材料的參數。

圖1 建立的數值模型Fig.1 Built numerical model

模型推進100 m和150 m時,工作面前方煤體塑性區發展規律如圖2所示。整體來看,工作面前方煤體的塑性區呈上寬下窄的特征。相比于工作面推進100 m的情況,工作面推進150 m時煤壁塑性區寬度更大,如模型Ⅲ中2種推進距離下工作面塑性區的寬度分別為2.56 m和3.13 m。當工作面推進150 m時,模型Ⅰ中的煤體塑性區為2.08 m,模型Ⅱ和模型Ⅲ中的煤體塑性區分別為3.56 m和3.13 m,也就是說采空區剛度越大,工作面塑性區寬度越小。因此,當采空區剛度或壓實度較大時,有利于提高工作面煤體的穩定性。

采用 PHASE 2D有限元軟件建立數值模型,建立的模型如圖1所示。該模型為400 m×100 m(長×高),煤層厚度為3 m,模型左右兩側各預留100 m寬的煤柱,工作面推進長度為200 m。模型巖層從上到下依次為粉砂巖、細粉砂巖、泥巖、煤、泥巖、細粉砂巖和石灰巖。由于模型中煤層上方有70 m厚的巖層,而模擬煤層埋深為270 m,所以為模擬模型上方200 m厚的巖石層對煤層產生的應力效應,在模型頂部施加了5.5 MPa的補償應力。模型左右邊界均施加水平方向約束,下部邊界限制垂直方向位移。

表1 煤巖霍克-布朗強度參數

3 數值模擬結果分析

3.1 工作面煤體塑性區演化規律

為研究不同采空區剛度對工作面采場圍巖穩定性的影響,建立了3個數值模型。其中模型Ⅰ中的采空區剛度較大,采空區矸石的彈性模量與煤體彈性模量相同;模型Ⅱ中的采空區剛度最小,其彈性模量為煤體的0.1倍;模型Ⅲ中靠近工作面位置的采空區剛度為0.1倍的煤體彈性模量,而在工作面后方一定距離內,采空區剛度增大至煤體彈性模量,即采空區剛度隨工作面的推進發生動態演化,因此模型Ⅲ中的采空區剛度居于模型Ⅰ和Ⅱ之間。

圖2 不同推進距離下工作面前方煤體塑性區演化規律Fig.2 Development law of coal body plastic zone in front of working face at different advancing distance

3.2 工作面前后方直接頂下沉量

圖3給出了工作面推進100 m和150 m時的直接頂下沉量。其中x=0的位置為工作面煤壁,x>0為實體煤,x<0為采空區方向。不難看出,在工作面前方,離煤壁越遠,直接頂下沉量越小;在工作面后方,離煤壁越遠,直接頂下沉量逐漸增大。相比于工作面推進100 m,當工作面推進150 m時,直接頂下沉量進一步增大,例如在模型Ⅱ中,工作面推進100 m和150 m的直接頂下沉量分別為89.6 mm和106.6 mm。相同推進距離下,由于采空區剛度為模型Ⅰ>模型Ⅲ>模型Ⅱ,因此,直接頂下沉量為模型Ⅰ(38.6 mm)<模型Ⅲ(96.8 mm)<模型Ⅱ(106.6 mm)。由此可知,增大采空區剛度或壓實度,可有效降低工作面前后方直接頂下沉量。

模型推進100 m和150 m時,覆巖垂直位移演化規律如圖4所示。可知,在模型寬度范圍內垂直位移呈現兩端小、中間大的變化特征,垂直位移曲線關于最大值呈軸對稱。相比于工作面推進100 m的情況,工作面推進150 m時覆巖垂直位移更大,如模型Ⅲ中2種推進距離下垂直位移最大值分別為89.2 mm和137.4 mm。當工作面推進150 m時,模型Ⅰ中的覆巖垂直位移為44.9 mm,模型Ⅱ和模型Ⅲ中的覆巖位移分別為137.4 mm和148.3 mm,說明當采空區剛度越大時,覆巖垂直位移越小。通過對比不同剛度模型的覆巖垂直位移可知,當采空區剛度或壓實度較大時,有利于降低覆巖垂直位移量。

圖3 工作面前后方直接頂下沉量Fig.3 Subsidence of immediate roof at front and behind of working face

3.3 覆巖垂直位移演化規律

邢玠所奏之善后事宜未能切實實施，如“設安邊同知于松坎，尋廢”[3]1253。勘播后，“以重慶太守王士琦為川東兵備使，彈治之?！盵8]996王士琦單騎諭應龍，是其所忌憚之人，其在，應龍尚可收斂。但隨著第二次赴朝御倭戰役的打響，朝廷大舉征調兵馬赴朝?！暗翊豪m到者，止浙江藍方威兵四千八百，已發公州駐防，川兵一萬，時將抵遼陽”[17]231。各地駐兵陸續向朝鮮進發，兵備王士琦也被調征倭，川兵的遠調使得播州防務更加松懈，楊應龍更加肆無忌憚。

圖4 覆巖垂直位移變化規律Fig.4 Change law of overlying rock’s vertical displacement

3.4 工作面支承壓力增高系數

(1)工作面推進150 m后,3種采空區剛度下的工作面前方煤體塑性區寬度分別為2.08 mm、3.56 mm和3.13 mm,說明采空區剛度越小,工作面煤體塑性區寬度越大。

圖5 不同模型下支承壓力增高系數變化Fig.5 Change in support pressure-enhancing coefficient under different models

4 結論

不同模型下工作面前方支承壓力增高系數變化如圖5所示。模型開挖前,工作面支承壓力增高系數為1,即支承壓力處于原巖應力水平。隨著工作面的開挖,支承壓力增高系數先增大后趨于穩定,其中模型Ⅰ的支承壓力增高系數最大值穩定在2.1左右;模型Ⅱ的支承壓力增高系數最大值為3.7;模型Ⅲ支承壓力增高系數最大值為3.4。這是由于模型Ⅰ的采空區剛度最大,能夠承擔更多的覆巖壓力,故工作面前方實體煤所承擔的支承壓力最小。因此,增大采空區剛度或者壓實度,有利于降低工作面前方支承壓力。

那是一塊巨大的青石，不知道是做什么用的，反正表面已經很光滑。粒粒在包包里翻出眉毛夾，用力在青石上刻上兩個字：程頤。然后做賊一樣，站起身，逃也似的跑開了。

綜上所述，《桃花扇本末》中“舅翁”秦光儀應是孔尚任的內兄(弟)，而并非“岳父”。再從孔尚任的作品中，我們可以得出秦光儀的年齡應該大于孔尚任的妻子秦氏，因此秦光儀應該是孔尚任之內兄。

(2)采空區剛度越大,頂板下沉量越小。當工作面推進150 m時,模型I、II和III的直接頂最大下沉量分別為38.8 mm、106.6 mm和96.8 mm,覆巖垂直位移最大值分別為44.9 mm、148.3 mm和137.4 mm。

(3)隨著工作面推進,工作面前方支承壓力增高系數先增大后穩定,模型Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ支承壓力增高系數峰值依次為2.1、3.7和3.4。增大采空區剛度有利于降低工作面支承壓力,提高采場圍巖穩定性。