膏体充填工作面顶板及地表沉陷过程数值模拟.pdf

第25卷 第2期2008年06月采矿与安全工程学报Journal of Mining&Safety EngineeringVol.25No.2June 2008收稿日期:2007208217基金项目:国家自然科学基金项目(50574089)作者简介:郭振华(19822),男,河南省新乡市人,硕士,从事采矿充填方面的研究.E2mail:zhenhuag Tel:[phone]文章编号:167323363(2008)0220172204膏体充填工作面顶板及地表沉陷过程数值模拟郭振华,周华强,武龙飞,李 锋(中国矿业大学 矿业工程学院,江苏 徐州 221116)摘要:为了掌握膏体充填工作面上覆岩层的移动规律及地表沉陷情况,对比与垮落法的不同,基于充填采矿对未来煤矿开采的重要性,文章以某矿村庄下膏体充填开采研究为背景,采用FLAC软件进行数值模拟.模拟分步开挖、分步充填、膏体强度逐步增强的开采、充填过程,与实际作业过程一致.得出了开采过程中工作面顶板与地表的动态下沉和沉陷控制效果曲线图,并与垮落法对比,总结出充填工作面顶板和地表的沉陷规律.研究结果表明:膏体充填工作面最大下沉系数仅为0.11,膏体充填能有效控制上覆岩层移动,显著降低地表沉陷;充填早期顶板下沉量占最终下沉量的大部分,缩短顶板暴露时间及膏体凝固时间、加强膏体凝固前的顶板支护、提高充填作业质量是控制地表下沉的关键.关键词:膏体充填;顶板;地表沉陷;数值模拟中图分类号:TD 325 文献标识码:ANumerical Simulation for Roof and Surface SubsidenceProcess Caused by Paste FillingGUO Zhen2hua,ZHOU Hua2qiang,WU Long2fei,LI Feng(School of Mining Engineering,China University of Mining&Technology,Xuzhou,Jiangsu 221116,China)Abstract:The moving rules of overburden rock and surface subsidence induced by paste fillingmining are studieded and compared with caving method.Paste filling mining will become veryimportant in the near future coal mining.Therefore,the numerical simulation is made with theprogram FLAC based on the object of mining under village in a certain coal mine.The detailedmining and filling process is simulated in which the filling intensity keeps increasing.The dy2namic subsidence curves and control effect of roof and surface are presented,obtaining the rulesof roof and surface subsidence as compared to caving method.The results show that the maxi2mum subsidence coefficient is 0.11 and the paste filling mining can effectively control the stratamovement,having a good effect on reducing the subsidence.The amount of subsidence in theearly period of filling has a large percentage of the total subsidence.Decreasing the roof divul2ging time and paste curdling time and increasing roof supporting intensity and improving thequality of filling are the key to control the subsidence.Key words:paste filling;coal roof;surface subsidence;numerical simulation 随着人类对能源的需求日益扩大,煤炭资源经过上百年的开采后,我国煤炭储量已大量减少,而“三下”压煤量又大,很多老矿井煤炭资源正在逐步枯竭.据国有重点煤矿的不完全统计资料,剩余储量50%以上属于“三下”压煤,压煤约137.9亿t1.这些储量大多集中分布于工业基础较好、开发 第2期郭振华等:膏体充填工作面顶板及地表沉陷过程数值模拟条件优越、对煤炭需求较为迫切的经济发达地区.充填采煤技术正逐步成为延长濒临破产煤炭企业的寿命,解决矿井接续矛盾,促进煤炭企业的可持续发展的重要途径.所谓固体废物膏体充填就是把煤矿附近的煤矸石、粉煤灰、炉渣、劣质土、城市固体垃圾等在地面加工成不需脱水的牙膏状浆体,利用充填泵或重力作用通过管道输送到井下,适时充填采空区的采矿方法2.工作面上覆岩层控制是充填开采的关键环节,本文用数值模拟的方法对充填工作面上覆岩层移动规律进行研究.1 工程概况某矿为地处我国中部地区,1958年建井,1963年投产.年产量由21万t逐步增长至当前的75万t.经过约半个世纪的高强度开采,矿井原有储量己所剩无几.已有工作面采完后,除矿井扩大区外,其余储量都是“三下”压煤,而扩大区地质构造复杂,需越过两个村庄后方能开采,开拓工程量大,不能很快完工.为保证矿井生产衔接,确定对原村庄保护煤柱进行煤矸石膏体充填开采.本区主采煤层平均埋深411 m,平均煤厚5.5 m,为近水平煤层.2 开采方案简介设计在该保护煤柱中布置长壁充填工作面,分两层开采,分层采高2.8 m,先采上分层,后采下分层.全采全充,充填步距2.5 m,即每采2.5 m进行一次充填.正规循环中,采煤与充填平行作业,在一个“采煤-充填”周期内,充填作业线滞后煤壁57.5 m.上分层采完稳定后,以上分层膏体为假顶开采下分层,工艺过程和上分层同.3 数值计算模型为保证地表充分采动,模拟开采长度定为600 m,约1.5倍采深,向开采边界以外延伸800 m,约2倍采深,建立对称模型;模型高度从地表到煤层底板以下82 m.因此建立1 100 m493m数值模型,岩体形状及力学参数见表1,共划分42595个网格(图1).模型侧面限制水平位移,底部固定.工作面附近划分网格较密,每一个“采煤-充填”单元(后文简称“单元”)宽2.5 m,高2.8 m,为22个网格.每个周期开挖一个单元,采面滞后两个单元进行充填.由于充填工序的滞后,且有少量欠接顶,顶板必会下沉,膏体体积小于采出煤体积3,故在模拟充填前要先按支柱支撑状态计算一定步数.步数按顶板暴露到膏体产生初步强度的时间对照矿区以往顶板下沉观测数据确定.实际膏体在达到早期支撑强度后,逐渐增强至最终强度,因此膏体强化阶段采用反复“运算-加强”的方法模拟实际过程4.表1 数值模拟岩体力学参数Table 1Mechanical parameters of strata岩 性密度/(kgm-3)体积模量/GPa剪切模量/GPa黏聚力/MPa内摩擦角/()厚度/m粉砂岩(分10层)2 6000.90.52.2035.0380.0粉砂岩2 6000.90.52.2035.04.5细砂岩2 3003.32.33.6238.55.0粉砂岩2 6000.90.52.2035.613.0大煤1 6000.20.10.4019.05.5粉砂岩2 6000.90.52.2035.01.4细砂岩2 3003.32.33.6238.511.3粉砂岩2 6000.90.52.2035.09.7砂岩泥岩互层2 6000.30.11.0035.03.3粉砂岩2 6000.90.52.2035.060.0图1 数值模型示意图Fig.1Sketch map of numerical simulation 设采面顶板和地表两条观测线记录下沉值,顶板从切眼开始每隔6.25 m设一测点,考虑到模型边界效应,测点布置到距右边界50 m处,共41个顶板测点,编号从“1”到“41”.地表测点从模型左边界开始,间隔50 m,共22个,编号从“1”到“22”.每个开采循环,所有测点记录5组数据.由此可得出各测点在整个开采过程中的动态下沉值,绘制出各点动态变形曲线,也可绘制出每条测线任意时刻的下沉曲线.为了将充填法开采对地表的最终控制与垮落法进行对比,在同条件模型中模拟垮落法开采,得到垮落法开采时的地表下沉曲线5.4 模拟结果分析4.1 开采过程在整个开采过程可得到每测点的动态下沉曲线,因测点较多,本文只取部分点的曲线绘于图2371采矿与安全工程学报第25卷 中.其横坐标是开采单元数反映出的时间量,上下分层各120个单元,共240个单元,240以上表示开采后的稳定过程,因此横坐标还可表示工作面推进的位置.图2 测点动态下沉曲线Fig.2Dynamic subsidence curves of observation points 图2a为6个顶板测点的动态曲线,每条曲线都有两个明显的突变,对照测点位置,突变处就是工作面经过的时候,采面通过后,下沉速度很快减慢,说明采面顶板从暴露到膏体产生早期支撑强度6这段时间的下沉量占最终下沉量的绝大部分.25,33,41点最终交于一点,说明顶板在25点以后,顶板下沉量已完全不受切眼前煤壁支撑作用影响.图2b为7 点向采面方向的6个地表测点的动态曲线,并未出现如图2a中的突变,斜率随时间变化不大,说明充填工作面地表下沉非常平稳,因上覆岩层不发生失稳,故地表不会出现台阶下沉7.从地表测点中可知,采完后下沉量等于10 mm的点在7 号和8 号点之间,即最终的下沉边界8在这两点之间.这6个测点是等间距布置的,而6条曲线的间距出现了由小变大再变小的现象,16 号点的曲线与前后曲线间距最大.16 点的位置在工作面开切眼附近,说明在充填开采过程中,地表倾斜变形最大处在切眼附近9.图2c为此两点下沉曲线的对比图,顶板25号点与地表20 号点在同一竖直线上,同样情况还有5组.第一组因顶板受煤壁支撑作用,顶板下沉小于地表,其它各组与图2c相似,地表与其正下方顶板整体下沉基本一致,比顶板下沉平稳,整体下沉量略小于顶板.在横坐标240单元以后表示开采后的稳定过程,从图2可知,无论是地表还是顶板,开采后都是迅速稳定,说明充填工作面的稳定周期很短.4.2 下沉控制结果图3为开采结束,岩层稳定后的顶板、地表下沉曲线以及与垮落法的对比.数据显示垮落法最大下沉系数为0.81,而充填法仅0.11,其控制地表下沉作用非常明显.以0.11为最大下沉系数,用概率积分法预测采后地表水平变形、倾斜、曲率等指标都小于 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程 中建筑物一级破坏的标准10.图3 开采后下沉曲线Fig.3Curves of subsidence after mining 如图3所示充填工作面顶板最大下沉量为704 mm,地表为619 mm,是顶板的88%;而垮落法顶板全垮,其下沉量就是总采高5 500 mm,地表最大下沉为4 463 mm,是顶板下沉量的81%.充填法地表下沉量与顶板比值大于垮落法,原因在于充填工作面顶板不发生台阶式失稳,不受岩石碎胀性影响,因此顶板的下沉量更大程度反映到地表.471 第2期郭振华等:膏体充填工作面顶板及地表沉陷过程数值模拟5 结 论1)膏体充填开采方法地表最大下沉系数仅为0.11,能有效控制上覆岩层移动,显著降低地表沉陷.上覆岩层不发生台阶式失稳,地表下沉过程平稳,不会产生台阶下沉现象,开采后的稳定周期很短.2)工作面顶板下沉主要发生在顶板暴露到膏体产生早期支撑强度这段时间,随膏体强度增大,顶板下沉得到有效控制.上覆岩层不受采场围岩先碎胀后压实的影响,与垮落法相比,充填法的顶板下沉量更大程度反映到地表.缩短顶板暴露时间及膏体凝固时间、提高充填作业质量、加强膏体凝固前的顶板支护是控制地表下沉的关键.参考文献:1古德生.对中国矿业可持续发展问题的思考(一)J.世界采矿快报,1997,2(13):325.GU De2sheng.The Consideration on problems of sus2tainable development of mining in China(1)J.World Mining Express,1997,2(13):325.2 周华强,侯朝炯,孙希奎,等.固体废弃物膏体充填不迁村采煤J.中国矿业大学学报,2004,33(2):1542158.ZHOU Hua2qiang,HOU Chao2jiong,SUN Xi2kui,et al.Solid waste paste filling for none2village2reloca2tion coal mining J.Journal of China University ofMining&Technology,2004,33(2):1542158.3 刘同有.充填采矿技术与应用M.北京:冶金工业出版社,2001.4 谢文兵,史振凡,陈晓祥,等.部分充填开采围岩活动规律分析J.中国矿业大学学报,2004,33(2):1622165.XIE Wen2bing,SHI Zhen2fan,CHEN Xiao2xiang,etal.Analysis of surrounding rock activities in partialbackfill mining J.Journal of 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