充填開采覆巖變形破壞數值模擬研究

李旭波 李旭鵬

（1.山西晉煤集團澤州天安煤業有限公司，山西 晉城 048000；2.潞安集團常村煤礦，山西 長治 046000）

本文以煤礦充填開采技術為研究背景，將該礦充填開采過程中實際測量的數據與通過數值模擬方法研究的理論結果進行對比，研究固體充填開采問題，對現場實踐有很好的推動作用。

1 FLAC3D數值分析軟件簡介

FLAC3D技術是目前工程方面的通用型軟件，涉及領域包括土木工程建設、交通設施建設、水利工程設施建設、石油及采礦工程、環境工程等。作為ITASCA軟件產品中的明星產品軟件，FLAC3D技術在學術界和實務界具有良好的聲譽，特別是在國際土木工程和巖土工程方面。FLAC3D所使用的顯現式拉格流動以及變形都能朗日算法和混合-離散技術，在材料得出模擬的流動和塑性破壞方面都達到了非常精確的程度。無形形成的剛度矩陣，在很小的內存空間內就能夠最大范圍的解決問題。

根據三維顯式有限差分法的數值分析方法在學術界被稱為三維快速拉格朗日法，可以有效地實現對巖土或其他材料的三維力學行為的模擬。三維快速拉格朗日算法在模擬大變形的問題上非常的專業。它的計算方法是通過分析計算區域內遵循指定的線性或其他型的本構關系的四面體單元的若干個在給定的邊界條件的情況下的計算情況。如果在應力的作用下，材料發生了變形或產生塑性流動，隨著材料的變形，單元網格也會發生相應的改變。三維快速拉格朗日應用混合單元離散模型在分析采用顯式有限差分格式來求解場的控制微分方程的方式，在模擬材料的屈服、塑性流動、軟化甚至是大變形方面達到了非常精確的程度。這種精確性尤其體現在材料模擬施工過程和材料的變形分析等多種領域。

2 工作面概況

山西晉煤集團澤州天安煤業有限公司91301工作面位于9#煤一采區西南側，東距晉城市約22km，東側約2km處有晉（城）韓（城）公路通過，南距晉陽高速公路約8km，距晉北集煤站約25km，各鄉村均有公路相連，交通運輸條件方便。工作面對應地表位置無河流、水體、村莊、構筑物、鐵路、公路、管線及其他設施。91301首采工作面位于該礦9#煤層+705m水平采區，煤層底板標高702.6～728.9m，該面是該礦第一個綜采工作面。91301工作面長度150m，走向長度480m，煤層傾角2～4°，面積為73500m2，煤層厚1.05～2.13m，設計采高2.13m，容重1.5t/m3。工作面上方無房屋等建筑，但采空后因地表下陷，要定時巡查地表塌陷情況。

91301工作面范圍內煤層厚度為1.05～2.13m，平均厚2.03m，蓋山厚度為102～130m。91301工作面范圍內煤層為南北走向，上山開采，傾角為2～4°，變化較小。煤層厚度及層位穩定，結構簡單，不含矸石，為黑色—灰黑色、光亮型煤，似金屬光澤，條帶狀結構，層狀構造，階梯狀、貝殼狀斷口，條痕灰黑色，質堅硬，裂隙不發育。煤巖組分以亮煤、鏡煤為主，次為暗煤和絲炭，礦物質中黃鐵礦含量高。工作面煤層情況見表1。

表1 91301工作面煤層情況表

2.1 煤層頂板

偽頂：無；

直接頂：泥巖，厚約2～3m，灰黑色，質密，較硬；

老頂：細粒砂巖，厚約2.0m，灰白色，質硬。

頂板粉砂巖抗壓強度為23.6～31.4MPa，平均26.7MPa，為中等堅硬巖石，抗拉強度為0.27～1.02MPa，平均0.56MPa，抗切強度為2.93～4.40MPa，平均3.84MPa。

2.2 煤層底板

直接底：泥巖，厚約1.5m，灰黑色，質密，較硬；老底：細砂巖，厚約7m，灰白色，質硬。

底板砂質泥巖抗壓強度為56.4～68.0MPa，平均63.3MPa，為堅硬巖石，抗拉強度為1.49～2.12MPa，平均1.87MPa，抗切強度為1.95～5.26MPa，平均3.20MPa。

工作面煤層頂底板情況見下表2。

表2 91301工作面煤層頂底板情況

3 建立計算模型

3.1 模型簡化

通過FLAC3D數值模擬的方法研究煤礦充填規律，以該礦開采工作面91301工作面為例，進行模型抽像化，煤層厚度取平均值2m，由于該工作面傾角不大，近水平開采，為簡化計算，設置煤層傾角為0°。

3.2 模擬工況

本文以常規垮落法與固體充填開采對比，研究充填開采變形規律。因此建立傳統垮落法及固體充填開采兩種模型。根據巖層、煤層以及充填體的物理特性，選取不同的模型，具體如下表。模型尺寸=600×1600×1700，建立的三維模型見圖1所示。

表3 不同地質及模型

圖1 煤礦固體充填開采工作面數值模型

校準流程如圖2所示。

3.3 數值分析結果

（1）上覆巖層沉陷特點

根據數值計算結果分析圖3可知固體充填過程中不同位置巖層沉陷情況。工作面推進0～240m過程中，下沉值達到100mm的區域逐漸增大，工作面推進到200多米時，地表下沉值均超過100mm，頂板最大下沉值達到589mm。剩余兩期開采過程中，從開切眼位置到推進160m的范圍下沉均達到100mm，固體充填壓縮率不超過22%，在可控范圍之內。

圖2 參數選取流程圖

圖3 充填開采數值模擬不同推進位置下沉圖

隨著工作面的不斷推進，頂板最大沉陷區域逐漸移向工作面推進位置，而地表最大沉陷區域并沒有出現過度偏移的情況，該結果表明充填體已被壓實。

（2）地表移動變形特征

根據推進過程中不同位置地表下沉情況圖可以得出，隨著工作面的推進，地表下沉值及范圍均不斷增大。工作面剛推進過程中，由于上覆巖層受到采動影響小，地表受影響不大，下沉曲線偏向推進方向移動；隨著工作面的不斷推進，沉陷曲線先下降，到達最大值后對稱上升，呈現拋物線形態。

圖4 工作面推進過程中下沉情況

4 結論

對于煤礦“三下”開采（水體下、建筑物下、鐵路下特殊開采技術），采空區充填是一種有效的方法。采用該方法可以大大提高煤礦開采的安全性，同時開采率也可以得到提高，對生態環境的保護也有積極的意義，并且常規的壓煤、煤矸石占用空間等問題也得以解決，因此充填開采有著很好效果。