充填开采对地表沉陷影响因素的数值模拟

2015-01-20邢宇祺宁建国刘军辉许元凯王永庆袁国栋

现代矿业 2015年12期

关键词：矿业采空区煤层

邢宇祺宁建国刘军辉许元凯王永庆袁国栋

(山东科技大学矿业与安全工程学院)

充填开采对地表沉陷影响因素的数值模拟

邢宇祺宁建国刘军辉许元凯王永庆袁国栋

(山东科技大学矿业与安全工程学院)

充填开采对于解放“三下”煤炭资源具有重要意义，是实现煤炭资源绿色开采的重要途径。充填体强度和采空区充填率是地表沉陷的直接影响因素，为此，以平顶山十二矿CT101充填工作面为研究对象，设计了3种不同强度的充填体分别对应5种不同采空区充填率的充填开采方案。通过数值模拟分析了在不同强度充填体和采空区充填率条件下的地表沉陷规律，为充填开采中地表沉陷控制和充填体强度、采空区充填率等参数的确定提供依据。

充填开采充填体强度采空区充填率地表沉陷数值模拟

目前，我国“三下”压煤量已接近14亿t，其中建筑物下压煤9.5亿t[1-3]，因此解放“三下”压覆的煤炭资源已成为亟待解决的问题。为解决充填开采面临的理论、技术问题，解放并回收“三下”煤炭资源，我国学者进行了大量研究，成果丰硕[4-8]。基于FLAC3D软件[9]，以平顶山十二矿CT101充填工作面为例，研究在不同充填体强度及采空区充填率条件下的地表沉陷规律。

1 研究区概况

十二矿井田位于平顶山矿区东部，北依马棚山，南临湛河，濒近沙河，东西南三面地势平坦，总体属剥蚀残余丘陵地貌单元。平顶山矿区地层自老至新分别为太古界太华群、上元古界震旦系、下古生界寒武系、上古生界石炭系、二叠系，中生界三叠系及新生界第三、四系，区内缺失奥陶系—中下石炭系地层。该井田属石炭、二叠系含煤岩系，CT101充填工作面位于大型建筑群下，为保证建筑物不受损害，该工作面采用固体充填开采。该井田主采煤层为9#煤层，煤层厚2.6～3.4 m，平均厚3 m，平均埋深360 m，煤层倾角3°～6°，属近水平煤层。

2 模型构建

2.1 模型参数选取

根据井田地质资料，确定的煤层覆岩物理力学参数见表1。

采用FLAC3D软件进行计算，确定模型尺寸为800 m×400 m×390 m，工作面走向长600 m，倾向长200 m。充填体特征参数见表2。本研究共设计了5种充填方案进行模拟充填开采，各方案的采空区充填率分别为60%，75%，80%，85%，95%。低强度充填体参数参考矸石充填体强度，高强度充填体参数参考膏体材料强度，中强度充填体参数取二者平均值，此处的强度指广义强度和刚度[10-11]。

表1 煤层物理力学参数

表2 充填体参数

2.2 计算模型

基于FLAC3D软件构建的计算模型如图1所示。

(1)模型假设。①同一岩土层视为一个完全的弹塑性体；②各岩土层中均不含夹薄层；③忽略断层等地质构造和地下水对采区的影响；④模拟充填工作面视为规则的四边形。

(2)模型边界条件和初始条件。①煤层走向方向为x方向，在模型走向方向两侧施加x方向的应力；②煤层倾向方向为y方向，在模型倾向方向两侧施加y方向的应力；③模型底部边界固定，顶部为自由边界；④在实施充填开采前模型首先达到初始平衡状态，获得初始地应力。

图1 充填开采工作面数值模拟计算模型

3 数值模拟结果

FLAC3D计算模型数值模拟结果见图2、图3。

图2 充填体强度等级对地表沉陷的影响

由图2可知：充填体强度等级与地表最大沉陷值呈线性负相关关系，充填体强度等级越高充填率对地表最大沉陷值的影响越大，因此在同等上覆岩层重力的作用下，高强度充填体压缩变形量较低强度充填体小，对地表沉陷的控制效果较好。

图3 采空区充填率对地表沉陷的影响

由图3可知：充填开采时，随着采空区充填率的增加，地表最大沉陷值呈下降趋势；高强度充填体对地表沉陷的控制效果明显优于低强度充填体，表现为在上覆岩层作用下高强度充填体压缩量较小；当采空区充填率小于75%时，地表最大沉陷值随充填率的增加迅速降低，当采空区充填率大于75%时，地表最大沉陷值的变化随充填率的增加趋于平缓。因此，应根据地表沉陷控制要求选择合适的充填体强度等级及采空区充填率，可见75%的采空区充填率是一个较优的参考值。