煤矿采空区在数值模拟中的处理方法
[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] O241 [文献标识码] A [文章编号] 100626225 (2005) 0620004202
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.
区域Ⅰ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Ⅱ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Ⅲ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
SA , 将SA 用采高表示, 则SA = Ks ·h式中, h为采高; Ks 是这些岩层在未冒落和未发生剪断情况下, 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0135～0150。 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, mz 为冒高; KA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1125 ～1135 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·(1125 ～ 1135) = (215 ～ 217) h
也就是说, 当基本顶岩梁沉降至约217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215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017H 处时,对应现场采空区基本顶开始触矸, 即217h处; 当覆岩单元变形至015H处时, 对应现场采空区基本
顶沉降至最大值, 即215h处。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Ⅲ部分的顶板加上接近于同水平的原岩应力,区域Ⅱ部分加上有一定梯度的支撑反力, 区域Ⅰ除了工作面附近, 不加支撑的载荷。
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。