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 02

A Si m ulativeM ethod of Gob in Nu m erical Si m ulation

LI 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

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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

m

z =

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