煤礦采空區在數值模擬中的處理方法
[摘 要] 針對一般條件下的采空區, 依據直接頂冒落和基本頂沉降的狀況, 將其劃分為3個區域。通過現場觀測得出的冒高經驗公式和頂板冒落的碎脹值, 在數值模擬中, 作相應轉化, 劃分出
相應的區域, 不同的區域采用不同的處理方式, 使采空區更加接近現場條件。
[關鍵詞] 采空區; 數值模擬; 模擬方法
[中圖分類號] O241 [文獻標識碼] A [文章編號] 100626225 (2005) 0620004202
采場圍巖的運移變形關系到工作面安全生產、頂板覆巖控制、頂板水防治等方面的問題。但是傳統的研究方法在應用上有很大的局限性, 而且消耗的時間長、成本高, 很難得到理想的分析結果。一些大型巖土數值模擬軟件的開發, 為采場覆巖問題研究提供了新的研究手段。由于還沒有一套較好的專用于采場研究的軟件, 其他數值模擬軟件在煤礦開采, 特別是對采空區模擬方面存在很大的不足,使數值模擬在煤礦中的應用受到了很大的限制。在一些有限元、有限差分等數值模擬程序中,如果沒有對采空區進行一定的處理, 就不可避免地使直接頂、基本頂及其覆巖在運動和傳遞力的方式上, 與現場相比, 發生了很大的變化。由此, 數值模擬的計算結果就必然產生較大的出入。所以, 有必要采取一定的手段, 來彌補數值模擬研究方法上的這些不足。針對這些情況, 本文在數值模擬中采空區處理方面做了一些有益地探討。
1 采空區區域劃分
工作面推進后, 隨著支架的移動, 直接頂開始冒落, 然后基本頂巖梁斷裂沉降將采空區冒落的巖層逐步壓實。在推進方向上, 根據基本頂巖梁沉降的程度和采空區中冒落的巖層的壓實程度, 可以把
采空區分為3個區域.
區域Ⅰ內基本頂巖梁尚未接觸采空區內冒落的巖層, 直接頂冒落的巖石松散堆積在采空區內; 區域Ⅱ內基本頂巖梁已經接觸到采空區內冒落的巖層, 是一個從基本接觸到逐步壓實的過度區域; 區域Ⅲ內基本頂巖梁基本沉降至最大值, 采空區內冒落的巖層被壓實, 其中的應力已趨向于原巖應力。據此, 同樣將數值模擬模型中的采空區也劃分為這樣3個區域。
2 模型區域劃分的原則
采場上方的巖層冒高有明顯的規律性, 在一定的采動條件下有確定的數值, 不是不可捉摸的。一些現場實測研究了巖層彎曲沉降時的實際沉降值
SA , 將SA 用采高表示, 則SA = Ks ·h式中, h為采高; Ks 是這些巖層在未冒落和未發生剪斷情況下, 實際沉降值和采高的比例系數, 在一般巖層條件下其取值范圍是0135～0150。 可以得出一般巖層條件下冒高為采高兩倍左右的經驗公式。式中, mz 為冒高; KA為已冒落巖層的碎脹系數, 巖層的碎脹系數根據初步現場觀測研究, 該值變化于1125 ～1135 之間。由以上條件,推知采空覆巖冒落后的高度變化范圍約為2h·(1125 ～ 1135) = (215 ～ 217) h
也就是說, 當基本頂巖梁沉降至約217倍采高處, 采空區冒落的巖層開始對其有支撐作用; 當基
本頂巖梁沉降至215倍采高處, 基本頂巖梁下面的冒落巖層基本處于壓實狀態, 基本頂趨于穩定, 不
再沉降。根據上述結論, 在數值模擬中作相應的轉化,將數值模擬模型中的采空區進行區域劃分, 3個區域分布如圖2所示。煤層上面單元在煤層開挖后逐漸開始變形, 圖2中覆巖單元變形至017H 處時,對應現場采空區基本頂開始觸矸, 即217h處; 當覆巖單元變形至015H處時, 對應現場采空區基本
頂沉降至最大值, 即215h處。3 計算模型在模擬計算的模型中, 針對以上不同的區域采取措施進行處理。一般有兩種方法: 一是對不同的區域用不同屬性的材料加以充填, 模擬不同區域冒落的巖層, 使其對頂板有支撐作用; 二是采用加支撐反力的方法對不同區域進行處理, 模擬采空區冒
落的巖層對頂板的支撐作用。本文所建立的模型中采用的是第2種方法。對區域Ⅲ部分的頂板加上接近于同水平的原巖應力,區域Ⅱ部分加上有一定梯度的支撐反力, 區域Ⅰ除了工作面附近, 不加支撐的載荷。
由以上模擬的位移和應力圖可以比較看出, 對采空區處理前后有很大的區別。在相同的開挖情況下, 從位移圖上可以分析出, 如果不對采空區進行處理, 頂板覆巖位移變化增大很多, 由圖3 ( a)
和圖4 ( a) 中可以明顯看出; 從應力圖上可得出,頂、底板的應力場也有較大的區別, 特別是工作面
前方的應力集中程度。所以, 必須在數值模擬中,對采空區作相應處理, 使該研究手段的研究與現場更加接近。
4 結論
數值模擬是一種很重要的研究手段。在數值模擬中, 一般對采空區作充填處理的經驗公式是和時
間相關的。但是在模擬過程中所建的模型, 無論是本構關系上還是運行的時步上, 都無法與經驗公式中的時間因素相應的擬和起來。雖然模型中運行的時步與經驗公式中的時間相關, 但它們只是一種正變的關系。因此, 對采空區處理時存有一定的難度。本文對現場和數值模擬中的采空區分別進行區域劃分, 利用這種依據覆巖沉降的大小對采空區的處理方法, 在數值模擬中較容易對模型進行處理,使建立的模型貼近實際情況, 較好地模擬出煤礦開采后的采場圍巖應力和覆巖運移變化。