超高水材料開放式充填 FLAC3D數(shù)值模擬應(yīng)用研究

連小林,馮光明,韓曉東,王成真,周 振

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221008;2.霍州煤電集團(tuán)龐龐塔煤礦,山西呂梁 033200)

超高水材料開放式充填 FLAC3D數(shù)值模擬應(yīng)用研究

連小林1,馮光明1,韓曉東2,王成真1,周 振1

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇徐州 221008;2.霍州煤電集團(tuán)龐龐塔煤礦,山西呂梁 033200)

超高水材料是一種新型的采空區(qū)充填材料,以該材料為基礎(chǔ)的采空區(qū)開放式充填技術(shù)具有充填工藝簡(jiǎn)單,初期投資低,機(jī)械化程度高,充填與開采互不影響等顯著優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合超高水材料充填工藝的特點(diǎn),采用 FLAC3D數(shù)值模擬軟件,模擬不同開采方式下采空區(qū)上覆巖層的移動(dòng)情況,分析了超高水材料控制頂板下沉,抑制地表沉陷的機(jī)理。陶一煤礦充填試驗(yàn)面應(yīng)用實(shí)踐證明,該種充填方式的正確可行性。為類似條件下,充填開采提供了技術(shù)參考。

超高水材料;開放式充填;覆巖移動(dòng)變形;數(shù)值模擬

1 工作面概況

陶一煤礦充填試驗(yàn)面位于七采區(qū)南翼,對(duì)應(yīng)地表有村民房屋建筑、沖溝、梯田。地面標(biāo)高為171.2～179.1m,工作面標(biāo)高 -143.0～-187.0m,工作面埋深 315.1～365.9m。本工作面 2號(hào)煤層為單一傾斜煤層,煤厚 3.5～4.3m,平均 3.97m,煤層傾向 N110°E,傾角 10～13°。工作面沿 2號(hào)煤層傾向布置,為傾向條帶仰斜開采工作面,走向長(zhǎng)50m,傾向長(zhǎng) 220m。煤層綜合柱狀如圖 1。

圖1 煤層綜合柱狀

2 超高水材料開放式充填工藝

超高水材料開放式充填是指工作面布置成仰斜開采方式,充填漿液依靠工作面兩條斜巷內(nèi)的輸送管路自流進(jìn)入采空區(qū)。其充填工藝[2]主要包括兩部分：充填泵站和采空區(qū)充填點(diǎn)。

充填泵站為一整套制漿系統(tǒng),由控制系統(tǒng)、制漿系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)組成。各系統(tǒng)運(yùn)行步驟為：由控制系統(tǒng)設(shè)定輸送料的配比制漿量;制漿系統(tǒng)在 PLC的控制下加料與給水,生產(chǎn)出合格的漿體并轉(zhuǎn)送緩沖池中;2臺(tái)充填泵分別將 2種不同漿體通過(guò)管路輸送至采空區(qū)附近的充填點(diǎn);充填點(diǎn)附近的 A,B兩種漿體經(jīng)充分混合后,自流進(jìn)入采空區(qū)。

3 工作面數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

采用美國(guó) ITASCA公司研制的 FLAC3D軟件模擬充填前后覆巖的下沉。

模型在 X方向取 400m,在 Y方向取 260m。模型高 405m,煤層層厚 3.8m。煤層傾角 12°,開挖煤層傾向中部距地表 340m。模型共計(jì) 237120個(gè)網(wǎng)格和 247828個(gè)節(jié)點(diǎn)。煤層在 X方向上預(yù)開挖區(qū)間為 100～300m。兩側(cè)各保留 100m煤柱。Y方向上預(yù)開挖區(qū)間為 70～195m,中間保留 5m煤柱,兩側(cè)分別保留 70m,65m煤柱。其中待開采煤層傾向中部距離地表 340m。

模型前后、左右邊界施加水平約束,邊界水平初始位移為零;模型底部邊界水平、垂直初始位移均為零。模型底部施加等效載荷,其值為上覆巖層的自重應(yīng)力。載荷σs按式 (1)得到,前后左右各側(cè)面在水平方向上施加有自重應(yīng)力產(chǎn)生的側(cè)應(yīng)力,由式 (2)確定。

目前，工程中多采用間接循環(huán)式系統(tǒng)，因?yàn)樵谶B續(xù)循環(huán)式系統(tǒng)中，冷水補(bǔ)水時(shí)，水箱溫度波動(dòng)較大，用戶側(cè)的供水溫度得不到保障。間接循環(huán)系統(tǒng)中，將加熱水箱和保溫水箱分開，水在加熱水箱中加熱至一定溫度，才能送入循環(huán)水箱，水箱溫度恒定，舒適性較高。

式中,γ為覆巖的平均體積力,取 25kN/m3;H為模型底部邊界距地表的深度。

式中,λ為側(cè)壓系數(shù)。

計(jì)算過(guò)程中,模型從下邊界至地表有 27層煤巖層。包括 2層煤、6層粗粉砂巖、6層細(xì)粉砂巖、6層中粒砂巖、7層細(xì)粒砂巖。計(jì)算所采用的煤巖物理力學(xué)參數(shù)見表 1。

3.2 模擬結(jié)果

經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算,將計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)入 Tecplot后處理軟件,經(jīng)過(guò)切片成圖處理,最后結(jié)果如圖 2所示。

由圖 2可知：

表1 計(jì)算采用的煤巖物理力學(xué)參數(shù)

圖2 充填前后工作面傾向中部下沉等值線

(1)單面開挖不充填地表最大下沉 0.254m,明顯大于單面開挖充填時(shí)地表最大下沉量。

(2)雙面開挖不充填地表最大下沉值為1.030m,明顯大于雙面開挖充填時(shí)地表最大下沉量,但較單面開挖充填時(shí)的下沉量大。

(3)單面開挖充填之后,采空區(qū)中部上方覆巖 135m水平最大下沉值小于 0.01m,該水平距離地表 203.7m。該水平之上巖層不受采動(dòng)影響。

(4)雙面開挖充填之后,采空區(qū)中部上方覆巖 158m水平最大下沉值小于 0.01m,該水平距離地表 180.7m。該水平之上巖層不受采動(dòng)影響。

(5)雙面開挖不充填時(shí),煤柱處的最大下沉量大于 3m,煤柱基本遭到破壞;充填之后,煤柱處的最大下沉量小于 0.8m,煤柱能起到隔離 2個(gè)采空區(qū)的作用。

3.3 模擬結(jié)果分析

工作面開采之后覆巖和地表下沉量主要受到采空區(qū)大小、采高和是否充填的影響。工作面布置較小時(shí),采空區(qū)上方受采動(dòng)影響的覆巖跨度較短,下沉破壞向上發(fā)展,到一定的高位巖層時(shí),巖層不發(fā)生較大破斷,只有一定的彈塑性變形,此時(shí),該處下沉量較小。反之,高位巖層發(fā)生破斷,直至地表,此時(shí),地表將會(huì)產(chǎn)生較大下沉和變形[3]。

由單面和雙面充填與不充填的數(shù)值模擬情況可以看出,單面開挖和雙面開挖充填時(shí)地表最大下沉量明顯小于開挖不充填時(shí)的下沉量,充填體可以有效的對(duì)上覆巖層進(jìn)行控制。同時(shí)隨著開采工作面的增加,采動(dòng)范圍逐漸地增加,采動(dòng)有由非充分采動(dòng)向充分采動(dòng)轉(zhuǎn)變地傾向,但該種情況可以通過(guò)提高充填率減小下沉量來(lái)得到有效地控制。充填前后覆巖移動(dòng)變形如圖 3所示。

對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填,一方面可以“變相”地降低采高,限制覆巖的下沉量;另一方面,通過(guò)采空區(qū)充填固結(jié)體側(cè)向支撐煤柱,使煤柱具有一定的穩(wěn)定性,從而間接地降低采空區(qū)受采動(dòng)影響的覆巖跨度,減小了由于雙工作面開采造成的下沉疊加,使得采空區(qū)覆巖移動(dòng)變形具有相對(duì)的獨(dú)立性。在充填率較高的情況下,完全能達(dá)到保護(hù)地表的目的。

圖3 充填前后覆巖移動(dòng)變形

4 充填效果

充填工作面累計(jì)開采時(shí)間 3.9個(gè)月,共出煤78290t,采空區(qū)采出體積為 44316m3,充填量為36591m3,充填率為 82.6%。采用超高水材料開放式充填采空區(qū),雖然直接頂發(fā)生冒落,但是依靠充填漿液滲透性強(qiáng)的特點(diǎn),也能夠及時(shí)阻止覆巖的進(jìn)一步下沉。

為了觀察超高水材料漿液在采空區(qū)的固結(jié)情況,在工作面中部頂板上方 20m的一段巷道中向采空區(qū)鉆孔,并采用巖層探測(cè)記錄儀對(duì)其進(jìn)行了窺視。窺視結(jié)果顯示超高水材料充填高度位于煤層頂板上方 19.78m,而且在大小裂縫中均可見固結(jié)體,如圖 4。說(shuō)明,充填漿液不僅能密實(shí)采空區(qū)冒落帶,而且可以密實(shí)部分裂縫帶巖層的大小裂隙,充填情況比較理想。

圖4 充填固結(jié)體實(shí)照

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)超高水材料開放式充填開采具有充填率高,地表減沉效果顯著的優(yōu)點(diǎn)。

(2)超高水材料不僅具有良好的流動(dòng)性,還具有良好的滲透性,不僅能密實(shí)采空區(qū)冒落帶,而且可滲透到裂縫帶巖層的大小裂隙中。

(3)超高水材料充填開采技術(shù)具有充填工藝簡(jiǎn)單,初期投資低,機(jī)械化程度高,充填與開采互不影響等顯著優(yōu)點(diǎn)。

(4)為類似地質(zhì)條件下,進(jìn)行充填開采提供了技術(shù)參考,該充填試驗(yàn)面充填開采技術(shù)具有良好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

[1]馮光明 .超高水充填材料及其充填開采技術(shù)研究與應(yīng)用[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2009.

[2]閆 斌,莫 技,李 濤,等 .似膏體充填工作面采煤與充填工藝 [J].煤礦開采,2009,14(6)：35-37.

[3]何忠明,彭振斌,曹 平,等 .雙層空區(qū)開挖頂板穩(wěn)定性的FLAC3D數(shù)值分析 [J].中南大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版),2009(8).

[責(zé)任編輯：鄒正立 ]

Numerical Simulation of Open Stowing with Super-high-water-content Material by FLAC3D

L IAN Xiao-lin1,FENG Guang-ming1,HAN Xiao-dong2,WANG Cheng-zhen1,ZHOU Zhen1
(1.Mining Engineering School,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221008,China;2.Pangpangta Colliery,Huozhou Coal&Power Group,Lvliang 033200,China)

Super-high-water-content material is a new stowing material for mined gob.Using the material,open stowing technology was characterized by simple technique,low first investment,high mechanized degree and independent stowing and mining.Based on the characteristic of stowing with super-high-water-content material,movement rules of overlying strata by different mining methods were simulated by FLAC3D.Mechanism of controlling roof and surface subsidence with super-high-water-content material was analyzed.Application of the material in Taozhuang Colliery proved its feasibility and provided reference for stowing mining.

super-high-water-content material;open stowing;movement and deformation of overlying strata;numerical simulation

TD823.7

A

1006-6225(2011)01-0004-03

2010-11-09

連小林 (1984-),男,山西長(zhǎng)治人,碩士研究生,研究方向?yàn)橄锱灾ёo(hù)和采場(chǎng)圍巖控制。