煤矿采空区在数值模拟中的处理方法

煤矿采空区在数值模拟中的处理方法刘志河,马其华,曹建军(山东科技大学资源与环境工程学院,山东青岛266510)[摘 要] 针对一般条件下的采空区,依据直接顶冒落和基本顶沉降的状况,将其划分为3个区域。

通过现场观测得出的冒高经验公式和顶板冒落的碎胀值,在数值模拟中,作相应转化,划分出相应的区域,不同的区域采用不同的处理方式,使采空区更加接近现场条件。

[关键词] 采空区;数值模拟;模拟方法[中图分类号]O 241[文献标识码]A[文章编号]1006 6225(2005)06 0004 02A Si m ulativeM ethod of Gob in Nu m erical Si m ulationLI U Zhi he ,MA Q i hua ,C AO Jian j u n(Res ource&Environm ental Engi n eeri ng C ollege ,Shandong Un i versit y of Science &Techn ol ogy ,Q i ngdao 266510,C h i na)Abstrac t :B ased on the cond ition o f i m m ed i a te roo f fa lli ng and ma i n roof settle m en t ,directed t ow ard genera l cond ition ,the gob is d i v i ded into three areas .In nu m erical s i m u l ation ,correspond i ng d i v isi on i s done according to e m pir i ca l equation o f f a lli ng h i gh and the va l ue o f crack and s we lli ng .D ifferente process i ng m odes are adopted i n differente areas so that the gob is c l o ser to rea l conditi on .K ey word s :gob ;nu m erical s i m u l ation ;si m ulati ve m ethod[收稿日期]2005-07-18[作者简介]刘志河(1980-),男,河北邯郸人,采矿工程专业硕士研究生,从事矿山压力与岩层控制方面的研究。

采场围岩的运移变形关系到工作面安全生产、顶板覆岩控制、顶板水防治等方面的问题。

但是传统的研究方法在应用上有很大的局限性,而且消耗的时间长、成本高,很难得到理想的分析结果。

一些大型岩土数值模拟软件的开发,为采场覆岩问题研究提供了新的研究手段。

由于还没有一套较好的专用于采场研究的软件,其他数值模拟软件在煤矿开采,特别是对采空区模拟方面存在很大的不足,使数值模拟在煤矿中的应用受到了很大的限制。

在一些有限元、有限差分等数值模拟程序中,如果没有对采空区进行一定的处理,就不可避免地使直接顶、基本顶及其覆岩在运动和传递力的方式上,与现场相比,发生了很大的变化。

由此,数值模拟的计算结果就必然产生较大的出入。

所以,有必要采取一定的手段,来弥补数值模拟研究方法上的这些不足。

针对这些情况,本文在数值模拟中采空区处理方面做了一些有益地探讨。

1 采空区区域划分工作面推进后,随着支架的移动,直接顶开始冒落,然后基本顶岩梁断裂沉降将采空区冒落的岩层逐步压实。

在推进方向上,根据基本顶岩梁沉降的程度和采空区中冒落的岩层的压实程度,可以把采空区分为3个区域,如图1所示。

图1 采空区区域划分区域 内基本顶岩梁尚未接触采空区内冒落的岩层,直接顶冒落的岩石松散堆积在采空区内;区域 内基本顶岩梁已经接触到采空区内冒落的岩层,是一个从基本接触到逐步压实的过度区域;区域!内基本顶岩梁基本沉降至最大值,采空区内冒落的岩层被压实,其中的应力已趋向于原岩应力。

据此,同样将数值模拟模型中的采空区也划分为这样3个区域。

2 模型区域划分的原则采场上方的岩层冒高有明显的规律性,在一定的采动条件下有确定的数值,不是不可捉摸的。

一些现场实测研究了岩层弯曲沉降时的实际沉降值S A ,将S A 用采高表示,则S A =K s ∀h式中,h 为采高;K s 是这些岩层在未冒落和未发生4第10卷第6期(总第67期)2005年12月煤 矿 开 采CoalM i n i ng T echno l ogy V o1 10N o 6(Ser i es N o 67)Dece m ber 2005剪断情况下,实际沉降值和采高的比例系数,在一般岩层条件下其取值范围是0 35~0 50。

这样由经验公式mz =h-S A K A-1可以得出一般岩层条件下冒高为采高两倍左右的经验公式。

式中,m z为冒高;K A为已冒落岩层的碎胀系数,岩层的碎胀系数根据初步现场观测研究,该值变化于1 25~1 35之间。

由以上条件,推知采空覆岩冒落后的高度变化范围约为2h∀(1 25~1 35)=(2 5~2 7)h也就是说,当基本顶岩梁沉降至约2 7倍采高处,采空区冒落的岩层开始对其有支撑作用;当基本顶岩梁沉降至2 5倍采高处,基本顶岩梁下面的冒落岩层基本处于压实状态,基本顶趋于稳定,不再沉降。

根据上述结论,在数值模拟中作相应的转化,将数值模拟模型中的采空区进行区域划分,3个区域分布如图2所示。

煤层上面单元在煤层开挖后逐渐开始变形,图2中覆岩单元变形至0 7H处时,对应现场采空区基本顶开始触矸,即2 7h处;当覆岩单元变形至0 5H处时,对应现场采空区基本顶沉降至最大值,即2 5h处。

图2 模型中采空区区域的划分3 计算模型在模拟计算的模型中,针对以上不同的区域采取措施进行处理。

一般有两种方法:一是对不同的区域用不同属性的材料加以充填,模拟不同区域冒落的岩层,使其对顶板有支撑作用;二是采用加支撑反力的方法对不同区域进行处理,模拟采空区冒落的岩层对顶板的支撑作用。

本文所建立的模型中采用的是第2种方法。

对区域!部分的顶板加上接近于同水平的原岩应力,区域部分加上有一定梯度的支撑反力,区域 除了工作面附近,不加支撑的载荷。

模拟结果的剖面图如图3、图4所示。

图3采空区经过处理后的模拟结果图4 采空区未经处理的模拟结果(下转12页)5刘志河等:煤矿采空区在数值模拟中的处理方法2005年第6期再进行推广。

煤柱开采既涉及开采方法,同时也涉及地面保护,其生产成本必定有所增加。

因此,煤柱开采是长远效益与企业现实效益的结合,须制定相关的政策予以鼓励,提高开采煤柱的积极性。

同时,煤柱的开采利用涉及大同矿区的可持续发展,须进行统筹规划,以保证充分利用,减少资源的损失。

4 结束语通过对矿区煤柱的统计分析,表明大同矿区煤柱储量巨大,如何利用煤柱储量是保证可持续发展必须解决的问题。

通过对煤柱的详细调查,基本掌握了矿区煤柱的现状,提出了适用于大同矿区煤柱开采的技术方法和对策,但煤柱开采是复杂的系统工程,须通过实践不断积累经验,以达到最大限度地开发地下资源的目标。

[参考文献][1]煤炭工业太原设计研究院.山西大同矿区采煤沉陷情况报告[R].太原:煤炭工业太原设计研究院,2004.[2]天地科技股份有限公司开采所事业部.大同煤矿集团有限责任公司#三下∃压煤开采可行性研究报告[R].北京:天地科技股份有限公司开采所事业部,2004.[3]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:煤炭工业出版社,2000.[责任编辑:文学宽](上接3页)[参考文献][1]王国法.液压支架技术[M].北京:煤炭工业出版社,1999.[2]刘峻峰,贠东风.大倾角特厚煤层综放工艺系统复杂性初步研究[A].创新与发展%%%西安科技学院2002年学术大会论文集[C].西安:西安科技学院,2002.[3]王国法,蒲宝山.&液压支架通用技术条件∋修订对设计的影响[J].煤炭学报,2002,27(4):434 440.[4]王国法,翟桂武,徐旭升,杜忠孝.J OY8600/2.4/5.0型支架稳定性分析[J].煤炭科学技术,2001,29(5):50 53.[5]王国法,朱 军,张 良,李首滨.液压支架电液控制系统的分析与展望[J].煤矿开采,2000(2):5 8.[6]刘峻峰,王国法.急倾斜特厚煤层开采微型放顶煤支架适应性分析[J].煤炭科学技术,2005,33(6):28 31.[7]黄建功,平寿康.大倾角采面顶板分类研究[J].矿山压力与顶板管理,1999,3(4):86 90.[8]贠东风,伍永平.大倾角煤层综采工作面调伪仰斜原理与方法[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2001,20(2):152 155.[9]伍永平,贠东风,张淼丰.大倾角煤层综采基本问题研究[J].煤炭学报,2000,25(5):465 468.[10]伍永平,贠东风.大倾角综采支架稳定性控制[J].矿山压力与顶板管理,1999,3(4):82 85.[11]伍永平,贠东风,等.绿水洞矿大倾角煤层综采技术研究与应用[J].煤炭科学技术,2001,29(4):30 32.[12]林忠明,陈忠辉,谢俊文,谢和平.大倾角综放开采液压支架稳定性分析与控制措施[J].煤炭学报,2004,29(3):264 268.[责任编辑:邹正立](上接5页)由以上模拟的位移和应力图可以比较看出,对采空区处理前后有很大的区别。

在相同的开挖情况下,从位移图上可以分析出,如果不对采空区进行处理,顶板覆岩位移变化增大很多,由图3(a)和图4(a)中可以明显看出;从应力图上可得出,顶、底板的应力场也有较大的区别,特别是工作面前方的应力集中程度。

所以,必须在数值模拟中,对采空区作相应处理,使该研究手段的研究与现场更加接近。

4 结论数值模拟是一种很重要的研究手段。

在数值模拟中,一般对采空区作充填处理的经验公式是和时间相关的。

但是在模拟过程中所建的模型,无论是本构关系上还是运行的时步上,都无法与经验公式中的时间因素相应的拟和起来。

虽然模型中运行的时步与经验公式中的时间相关,但它们只是一种正变的关系。

因此,对采空区处理时存有一定的难度。

本文对现场和数值模拟中的采空区分别进行区域划分,利用这种依据覆岩沉降的大小对采空区的处理方法,在数值模拟中较容易对模型进行处理,使建立的模型贴近实际情况,较好地模拟出煤矿开采后的采场围岩应力和覆岩运移变化。

[参考文献][1] 宋振骐,等.实用矿山压力控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,1988.[2] Fast Lagrangian Anal ys i s of C on ti nua i n3D i m ens i on s[M].Itasca Cons u lti ng,Inc.1999.[责任编辑:邹正立]12总第67期煤 矿 开 采2005年第6期。