膏体充填工作面顶板及地表沉陷过程数值模拟.pdf

第 2 5卷 第 2期 2 0 0 8年 O 6月 采矿 与安全 工程学 报 J o u r n a l o f Mi n i n g＆ S a f e t y En g i n e e r i n g Vo 1 ． 2 5 No ．2 J u n e 2 0 0 8 文章编 号 1 6 7 3 3 3 6 3 2 0 0 8 0 2 - 0 1 7 2 0 4 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 2 2 1 1 1 6 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 F L AC 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 ． 1 1 ， 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 T D 3 2 5 文献标 识码 A Nu me r i c a l Si mu l a t i o n f or Ro o f a n d Su r f a c e Su b s i d e nc e Pr o c e s s Ca u s e d b y Pa s t e Fi l l i n g GUO Zh e n hu a，ZHOU H u a q i a ng，W U Lon g f e i ，LI Fe n g S c h o o l o f Mi n i n g En g i n e e r i n g，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g Te c h n o l o g y ，Xu z h o u ，J i a n g s u 2 2 1 1 1 6 ，Ch i n a Ab s t r a c t Th e m o v i n g r ul e s of o v e r b ur d e n r o c k a nd s ur f a c e s ub s i de nc e i nd uc e d b y pa s t e f i l l i n g m i n i n g a r e s t ud i e de d a n d c omp a r e d wi t h c a v i ng me t ho d．Pa s t e f i l l i ng mi ni ng wi l l be c o me v e r y i mpo r t a nt i n t h e n e a r f u t u r e c o a 1 m i ni n g．The r e f o r e．t he nu m e r i c a 1 s i m ul a t i o n i S ma d e wi t h t h e p r o g r a m F LAC b a s e d o n t h e o b j e c t o f mi n i n g u n d e r v i l l a g e i n a c e r t a i n c o a l mi n e ．Th e d e t a i l e d mi ni n g a n d f i l l i ng p r o c e s s i s s i m u l a t e d i n wh i c h t h e f i l l i n g i nt e ns i t y ke e p s i nc r e a s i n g．The d y n a mi c s ub s i de nc e c ur v e s a nd c o n t r o l e f f e c t of r oo f a nd s ur f a c e a r e pr e s e n t e d， o b t a i n i ng t h e r u l e s o f r o o f a nd s ur f a c e s u bs i d e nc e a s c o m p a r e d t o c a v i ng m e t h o d．Th e r e s u l t s s h o w t ha t t h e m a x i m u m s u bs i d e nc e c o e f f i c i e n t i s 0 ．1 1 a n d t he p a s t e f i l l i n g m i ni n g c a n e f f e c t i v e l y c on t r o l t h e s t r a t a mov e m e nt ，ha v i ng a g o od e f f e c t o n r e du c i ng t h e s ub s i de nc e ． The a mou n t o f s ub s i de nc e i n t h e e a r l y p e r i o d o f f i l l i n g ha s a l a r ge p e r c e n t a g e of t he t ot a l s ub s i de nc e ．De c r e a s i ng t he r o o f d i v ul gi n g t i m e a nd p a s t e c u r d l i n g t i me a n d i nc r e a s i ng r o o f s up po r t i ng i nt e ns i t y a nd i mpr o v i n g t he q ua l i t y of f i l l i n g a r e t he k e y t o c on t r o l t he s u bs i d e n c e ． Ke y wo r d sp a s t e f i l l i n g；c oa l r o of ；s ur f a c e s ub s i de nc e；n u m e r i c a l s i mul a t i o n 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 5 O 以上 属 于 “ 三 下 ” 压 煤 ， 压 煤 约 1 3 7 ． 9亿 t ． 这些储量大多集中分布于工业基础较好 、 开发 收稿 日期2 0 0 7 一O 81 7 基金项目国家 自然科学基金项 目 5 0 5 7 4 0 8 9 作者简介郭振华 1 9 8 2 一 ， 男 ， 河南省新 乡市人 ， 硕士， 从事采矿充填方面的研究 E ra i l z h e nh u a g 1 2 6 ． c o rn T e l 0 51 6 - 83 8 8 4 8 61 维普资讯 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 1 7 3 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L 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， 1 9 5 8年建井， 1 9 6 3 年投产 ． 年产量 由 2 1万 t 逐步 增 长至 当前 的 7 5万 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 4 1 1 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 一充 填 ” 周 期 内 ， 充填 作 业线 滞后 煤 壁 5 ～ 7 ． 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 6 0 0 m， 约 1 ． 5倍 采 深 ，向 开 采 边 界 以 外 延 伸 8 0 0 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 8 2 m． 因此 建 立 1 1 0 0 m4 9 3 m数值模型，岩体形状及力学参数见表 1 ， 共划分 4 2 5 9 5 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 一 充填” 单元 后文简称“ 单元” 宽 2 ． 5 m， 高 2 ． 8 m， 为 2 2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 ] ， 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 一加强” 的方法 模 拟 实际过 程 ． 表 1 数值模拟岩体力学参数 Ta b l e 1 M e c ha ni c a l pa r a me t e r s o f s t r a t a 1 ’ 2 ’ 1 5 ’ 1 6 。 1 7 ’ 1 8 。 1 9 ’ 2 0 ’21 ’2 2 t ’rr ／ 1 9 1 7 2 5 3 3 4 1 ∥t 分层 l， 下分层 _， 工作面推进方向 图 1 数值模型示意图 Fi g ．1 Ske t c h ma p of n ume r i c a l s i mu l a t i o n 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 ． 2 5 m 设 一测 点 ， 考虑 到模 型 边 界效 应 ， 测 点 布置 到距 右边 界 5 0 m 处 ， 共 4 1个 顶 板测 点 ， 编 号从“ 1 ” 到“ 4 1 ” ． 地表 测点从 模型左 边 界 开始 ， 间 隔 5 0 m， 共 2 2 个 ， 编号从 “ 1 ’ ’ ’ 到 “ 2 2 ． 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L 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 2 T三 ， 十三∞ 上 维普资讯 1 7 4 采矿与安全工程学报 第 2 5卷 中． 其横坐标是开采单元数反映出的时间量 ， 上下 分层各 1 2 0个单元 ， 共 2 4 0个单元， 2 4 0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． a 采面顶板测点 l 蜉 b 地表测点 地表 7 点 地表 l 0 点 地表 l 3 点 地表 l 6 点 地表 l 9 点 地表2 2 点 c 顶板2 5 号点与地表2 0 号点对比 顶板2 5 点 地表2 0 点 0 5 0 1 0 o 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 开采单元数／ 个 图 2 测 点 动 态 下 沉 曲线 Fi g． 2 Dyn a mi c s u bs i d e nc e c ur v e s o f o bs er v a t i on po i n t s 图 2 a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[ s 这段时间的下沉量占最终下沉量的绝大部分． 2 5 ， 3 3 ， 4 1点最终交于一点 ， 说 明顶 板在 2 5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 2 b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 2 a 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 ． 从地表 测点 中可 知 ， 采 完后 下 沉 量 等 于 1 0 mm 的 点在 7 号 和 8 号 点之 间 ， 即最 终 的下 沉 边 界 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 ， 1 6 号 点的曲线与前 后 曲线 间 距最 大 ． 1 6 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 J ． 图 2 c 为此 两点下沉 曲线 的对 比图 ， 顶 板 2 5号 点与地表 2 O 号点在 同～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 2 c 相似， 地表与其 E - F 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 2 4 0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 ． 8 1 ， 而充填法仅 0 ． 1 1 ， 其 控制地表 下 沉作 用 非常 明显． 以 0 ． 1 1 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 ． -3 0 0 E 40 0 ．5 0 0 蜉 让 ． - 6 0 0 7 0 0 0 ．1 o o g 兰 ．3 0 0 删 蛄 - 5 0 0 让． ．7 o 0 E E 商 避 k 1 0 0 2 0 0 3 0 0 距切眼距离 a 充填法顶板下沉曲线 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 距模型左端距离加 b 充填法地表下沉曲线 0 2 0 0 4 O 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 距模型左端距离J m c 充填法与垮落法地表下沉曲线对比 图 3 开 采 后 下 沉 曲线 Fi g ． 3 Cu r v e s o f s u b s i d e n c e a f t e r mi n i n g 如 图 3所 示 充 填 工 作 面 顶 板 最 大 下 沉 量 为 7 0 4 mm， 地表为 6 1 9 mm， 是顶板的 8 8 9 ／ 6 ； 而垮落 法顶板全垮 ， 其下沉量就是总采高 5 5 0 0 mm， 地表 最大 下 沉 为 4 4 6 3 mm， 是 顶 板下 沉 量 的 8 1 9 ， 6 ． 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． 0 瑚 枷 枷 舢 0 砌 舢 砌 0 ㈣ 砌 舢 砌 维普资讯 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 1 7 5 5 结 论 1 膏体充填 开采方 法地 表最 大下 沉 系数 仅 为 0 ． 1 1 ， 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 斗 [ 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 ， 1 9 9 7 ， 2 1 3 3 - 5 ． GU De - s h e ng ． The Co ns i d e r at i o n o n pr ob l e ms of S US t a i n a b l e d e v e l o p me n t o f mi n i n g i n C h i n a 1 [ J ] ． W o r l d M i n i n g Ex p r e s s ，1 9 9 7 ， 2 1 3 3 - 5 ． [ 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 ， 2 0 0 4 ， 3 3 2 1 5 4 1 58 ． ZHOU Hu a - q i a n g ，HOU Ch a o j i o n g，S UN Xi k u i ， e t a 1 ．So l i d wa s t e pa s t e f i l l i n g f or n one - vi l l a ge - r e l o c a t i o n c o a l mi n i n g[ J ] ．J o u r n a l o f C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g Te c h n o l o g y，2 0 0 4， 3 3 2 1 5 4 1 5 8 ． [ 3 ] 刘同有． 充填采 矿技术 与应用 [ M] ．北 京 冶金工 业 出 版社 ， 2 0 0 1 ． [ 4 ] 谢文兵 ， 史振凡 ， 陈晓祥 ， 等 ．部分充填开采 围岩 活动 规肇分析[ J ] ．中国矿业 大学学报 ， 2 0 0 4 ， 3 3 2 1 6 2 1 65 ． XI E W e n - b i ng， SHI Zhe n - f a n，CHEN Xi a o x i a ng，e t a1 ． An a l y s i s of s u r r ou n di ng r o c k a c t i vi t i e s i n p a r t i a l b a c k f i l l mi n i n g [ J ] ．J o u r n a l o f C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g Te c h n o l o g y，2 0 0 4， 3 3 2 1 6 2 1 6 5 ． [ 5 ] 徐永圻 ． 煤 矿开采学 ， 修 订本 [ M] ．徐州 中国矿业大 学 出版 社 ， 1 9 9 8 ． [ 6 ] 钱 呜高 ， 石平五． 矿山压力与 岩层 控制[ M] ．徐州 中 国矿业大学 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 7 ] 刘 长友 ， 杨培举 ， 侯朝炯．充填 开采时 上覆岩层 的活 动规律和稳定性分析[ J ] ．中 国矿业大 学学报 ， 2 0 0 4 ， 33 2 1 66 - 1 69 ． LI U Ch a n g y o u，YANG P e i j u，HOU Ch a o j i o n g，e t a 1 ．M o ve me nt l a w an d s t ab i l i t y a na l ys i s of ov e r l a y i ng s t r a t a u n d e r t h e c o n d i t i o n o f mi n i n g w i t h f i l l i n g E J ] ． J o u r n a l o f Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g Te c h n o l o gY，20 04， 3 3 2 16 6 1 6 9． [ 8 ] 赵才智 ， 周华强 ， 瞿群迪 ， 等．膏体充填材料力学性 能 的初步 实验 [ J ] ．中 国矿业 大学 学报 ， 2 0 0 4 ， 3 3 2 1 59 16 1 ． Z HA0 Ca i z h i ，Z H0U Hu a - q i a n g，QU Qu n - d i ，e t a 1 ． Pr e l i mi na r y t e s t on me c h a ni c a l pr o pe r t i e s o f pa s t e f i l l i n g ma t e r i a l [ J ] ．J o u r n a l o f C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g Te c h n o l o g y，2 0 0 4， 3 3 2 1 5 9 1 6 1 ． [ 9 ] 何国清 ， 杨伦 ， 凌赓 娣 ， 等．矿 山开采沉 陷学[ M] ． 徐 州 中国矿业大学 出版社 ， 1 9 9 1 ． [ 1 0 ] 国家煤炭工业局． 建筑 物、 水体 、 铁路及 主要井巷煤 柱留设与压煤开采规 程 [ M] ．北京 冶 金工业 出版 社 ， 2 0 0 1 ． 维普资讯