陳向紅，　陶連金，　趙志榮

(1. 北京工業(yè)大學(xué) 建工學(xué)院， 北京 100124； 2. 中國礦業(yè)大學(xué) 安全學(xué)院， 北京 100083)

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地表鉆孔注漿工藝下采空區(qū)覆巖力學(xué)性態(tài)的數(shù)值模擬

陳向紅1，陶連金1，趙志榮2

(1. 北京工業(yè)大學(xué) 建工學(xué)院， 北京 100124； 2. 中國礦業(yè)大學(xué) 安全學(xué)院， 北京 100083)

圍巖變形大、控制困難等問題一直以來都是采礦界著力研究的技術(shù)課題，尤其在薄巖體分布的特殊地質(zhì)類工程中表現(xiàn)更加突出。以石圪臺煤礦22303回采工作面為例，采用數(shù)值模擬方法，研究在地表鉆孔全段注漿工藝下采空區(qū)覆巖位移和應(yīng)力變化規(guī)律。結(jié)果表明：計(jì)入圍巖彈塑性變形特性，考慮作業(yè)面前方圍巖的空間約束效應(yīng)，在距離作業(yè)面1～1.5倍采高范圍內(nèi)覆巖存在較大的豎向變形和應(yīng)力差，并隨距作業(yè)面距離應(yīng)力逐步釋放，位移逐漸增大；當(dāng)回采高度遠(yuǎn)小于回采長度時(shí)，可不計(jì)采煤對側(cè)墻水平位移和應(yīng)力的影響。利用切面等值線分析了覆巖內(nèi)的力學(xué)性態(tài)，研究成果豐富了地表鉆孔注漿下的采空區(qū)覆巖力學(xué)理論，對同類條件下的覆巖變形控制具有重要的借鑒意義。

地表鉆孔注漿；采空區(qū)；覆巖；力學(xué)性態(tài)；數(shù)值模擬

0　引　言

作為國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中仍占據(jù)著主導(dǎo)地位。隨著煤炭產(chǎn)量的逐年增長及城市環(huán)境的不斷惡化，安全和綠色開采受到學(xué)術(shù)界與工業(yè)領(lǐng)域的高度關(guān)注[1,2]。

目前，國內(nèi)在控制采煤引起圍巖變形的研究，主要側(cè)重于充填采煤覆巖移動(dòng)規(guī)律方面，如朱衛(wèi)兵等[3]提出覆巖離層分區(qū)隔離注漿充填技術(shù)，并采用數(shù)值模擬方法做了進(jìn)一步證實(shí)；李興尚等[4]應(yīng)用PFC顆粒流程序模擬條帶煤層整個(gè)動(dòng)態(tài)變形發(fā)展過程；Xuan Dayang等[5]分析了深厚火成巖的離層注漿對覆巖穩(wěn)定性的影響；張吉雄[6]、陳杰等[7]運(yùn)用彈性地基梁理論分析了充填材料彈性模量與覆巖撓度之間的影響關(guān)系；黃艷利[8]綜合理論建模、力學(xué)分析、實(shí)驗(yàn)測試和數(shù)值模擬等多種方法系統(tǒng)研究了固體密實(shí)充填的巖層移動(dòng)特征和控制機(jī)理；李猛等[9]基于彈性地基薄板理論建立了密實(shí)充填采煤充填體-基本頂力學(xué)模型，并推導(dǎo)了基本頂破斷臨界條件。上述研究，主要針對采空區(qū)和巖石離層的加固處理措施，對于上覆松散層全段注漿工藝[10]下采煤覆巖的變形和應(yīng)力演化規(guī)律尚鮮見報(bào)道。鑒于此，筆者以石圪臺煤礦22303注漿工作面為例，通過數(shù)值模擬方法，研究地表深孔全段注漿采煤覆巖的力學(xué)性態(tài)，以期為注漿采煤覆巖的變形控制提供理論參考。

1　工程描述

石圪臺煤礦22303工作面具有上覆巖層厚度較薄松散層厚度較大的特點(diǎn)，回采至該區(qū)域時(shí)存在冒頂?shù)扔绊懓踩┕さ奈ｋU(xiǎn)。為了控制采煤施工引起的覆巖變形過大，場區(qū)提出了“地表鉆孔全段注漿工藝”。針對采煤工作面基巖厚度小于30 m的上覆松散層進(jìn)行注漿加固處理，設(shè)計(jì)注漿段長度為將基巖厚度加固至約40 m位置。

依據(jù)鉆孔提供資料，鉆孔設(shè)計(jì)間距為6.0 m，呈正方形6 m×6 m布置，見圖1。

注漿工程范圍內(nèi)揭露地層由老到新分布為：細(xì)粒砂巖、煤巖(J1-2y)，細(xì)粒砂巖、泥巖(J2z)，淤泥質(zhì)粉砂、粉土(Q4)。地層傾角平緩，近水平狀分布。

圖1　工作面注漿孔布置示意

2　采空區(qū)覆巖力學(xué)性態(tài)的數(shù)值模擬

2.1計(jì)算模型的建立

在建模中，綜合考慮模型幾何特征、收斂性和精度選擇單元類型和單元網(wǎng)格尺寸。模型坐標(biāo)x、y、z分別對應(yīng)回采掘進(jìn)方向、采煤工作面寬度方向和地層深度，對應(yīng)坐標(biāo)方向模型尺寸36 m×72 m×88 m，采空區(qū)側(cè)邊界距離模型邊界距離取3倍采高，利用有限元軟件ANSYS建立實(shí)體單元進(jìn)行模擬。模型邊界條件為：沿x和y方向邊界均限值水平位移，底部邊界約束豎向位移，上邊界施加豎向壓應(yīng)力模擬未注漿松散層自重應(yīng)力荷載。計(jì)算時(shí)按3 m增量模擬回采長度變化，利用軟件提供的單元“生死”功能實(shí)現(xiàn)采煤的動(dòng)態(tài)施工過程。三維計(jì)算模型如圖2a所示。圖2b給出了用來分析不同采長下覆巖力學(xué)性態(tài)的四個(gè)觀測點(diǎn)。其中Point1～ Point4分別為采空區(qū)頂板軸線上距離始發(fā)端為6、12、18和24 m的四個(gè)點(diǎn)。

a

b

2.2材料參數(shù)

根據(jù)采場地質(zhì)勘查報(bào)告，選用Drucker-Prager彈塑性模型作為計(jì)算分析時(shí)圍巖的本構(gòu)模型，經(jīng)過對材料物理力學(xué)性質(zhì)相近地層的合并與等效，各地層參數(shù)如表1所示。

表1　地層劃分及參數(shù)

3　數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析

為了考察采空區(qū)覆巖力學(xué)性態(tài)的變化規(guī)律，文中選取覆巖厚度為20和30 m兩種情況下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1各觀測點(diǎn)的時(shí)空效應(yīng)分析

經(jīng)計(jì)算，四個(gè)觀測點(diǎn)豎向位移uz和σz應(yīng)力隨回采長度l的變化規(guī)律如圖3所示。

a　豎向位移

b　豎向應(yīng)力

由圖3a可知，不同的覆巖厚度下，各觀測點(diǎn)豎向位移均隨回采長度的增加而增大，其中，覆巖厚度為20 m、回采長度24 m時(shí)，觀測點(diǎn)1～4的豎向位移分別為20.5、24.8、27.4和28.3 mm；覆巖厚度為30 m時(shí)，各觀測點(diǎn)豎向位移分別為17、19.5、20.9和21.3 mm。薄巖層更容易產(chǎn)生較大的變形。

由圖3b可知，各觀測點(diǎn)均在工作面回采至該位置時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力極大值，之后隨回采長度逐漸衰減，最大應(yīng)力幅值隨觀測點(diǎn)由Point1到Point4呈指數(shù)形式增長。

3.2沿回采方向頂板軸線豎向位移和應(yīng)力

為了考察采空區(qū)覆巖的力學(xué)性態(tài)。圖4給出了回采長度lh為24 m時(shí)采空區(qū)頂板軸線豎向位移和應(yīng)力變化規(guī)律。

a　豎向位移

b　豎向應(yīng)力

由圖4可知，在回采工作面附近，由于受到前方圍巖的空間約束效應(yīng)，覆巖應(yīng)力逐步釋放，所以在作業(yè)面附近形成較大的應(yīng)力差降；當(dāng)離開作業(yè)面約1.0～1.5倍的采高時(shí)，覆巖不再受圍巖約束，豎向位移隨之增加。同時(shí)，由兩種覆巖厚度下的位移和應(yīng)力曲線發(fā)現(xiàn)，覆巖厚度的變化對位移的影響程度明顯高于應(yīng)力。

3.3沿回采方向側(cè)墻水平位移和應(yīng)力

作為采空區(qū)覆巖支撐，側(cè)墻圍巖的力學(xué)性態(tài)也直接影響到覆巖的位移和應(yīng)力發(fā)展。圖5給出了工作面回采在橫斷面內(nèi)對采空區(qū)側(cè)墻水平位移uy和σy應(yīng)力的擾動(dòng)影響。

由圖5可知，采空區(qū)側(cè)墻水平位移和應(yīng)力相比覆巖豎向位移要小，主要原因可歸結(jié)為采空區(qū)的空間高跨比較小，圍巖具備上覆地層載荷作用下的自承能力。受圍巖的約束影響，水平位移和應(yīng)力差亦出現(xiàn)在距離作業(yè)面約1.0～1.5倍采高范圍內(nèi)，之后逐漸趨于穩(wěn)定。

a　水平位移

b　水平應(yīng)力

3.4覆巖內(nèi)的力學(xué)性態(tài)模擬

為了更直觀的描述覆巖內(nèi)的力學(xué)性態(tài)，圖6～8分別示出了沿模型頂板軸線截面的豎向位移、豎向應(yīng)力和剪應(yīng)力等值線圖。

a　h=30 mm

b　h=20 mm

a　h=30 mm

b　h=20 mm

a　h=30 mm

b　h=20 mm

由圖6、7可知，受回采工作面的空間約束影響，在采空區(qū)邊界存在較大的應(yīng)力梯度，為應(yīng)力集中區(qū)。之后在遠(yuǎn)離邊界位置逐漸進(jìn)入降低區(qū)，豎向位移增大，表現(xiàn)為梁板的結(jié)構(gòu)撓曲變形特征。進(jìn)而比較圖7和8兩種覆巖厚度下的應(yīng)力等值線還可發(fā)現(xiàn)：當(dāng)覆巖厚度為30 m時(shí)，松散層注漿對覆巖變形和應(yīng)力的影響不明顯；而當(dāng)覆巖厚度降至20 m時(shí)，覆巖內(nèi)應(yīng)力與注漿應(yīng)力連成一體，注漿對覆巖的變形和應(yīng)力發(fā)展已產(chǎn)生影響。該結(jié)論可進(jìn)一步證實(shí)22303回采工作面所提出的薄覆巖注漿加固處理方案的可行性。

4　結(jié)　論

(1)煤炭回采工作面對采空區(qū)覆巖有空間約束效應(yīng)，對于石圪臺22303工作面其影響范圍約為作業(yè)面前方1.0～1.5倍采高，在該范圍以外，覆巖豎向應(yīng)力隨距作業(yè)面距離的增加而逐步釋放，豎向位移逐步增加。

(2)采空區(qū)高跨比較小時(shí)，煤炭回采對采空區(qū)橫斷面?zhèn)葔λ轿灰坪蛻?yīng)力的影響相比較小，可協(xié)同覆巖共同形成空間承載環(huán)承擔(dān)上覆地層的自重載荷并傳遞給底板巖層。

(3)通過數(shù)值計(jì)算，當(dāng)采用地表鉆孔注漿工藝加固地層時(shí)，需要在考慮不同厚度覆巖的力學(xué)性態(tài)后選擇注漿參數(shù)，以達(dá)到合理減沉目的。

[1]繆協(xié)興，錢鳴高．中國煤炭資源綠色開采研究現(xiàn)狀與展望[J]. 采礦與安全工程學(xué)報(bào)， 2009， 26(1)： 1-14.

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[10]何朋朋．注漿段全段注漿的方法．中國， zh201310328853.3[P]. 2013-10-23．

(編輯徐巖)

Numerical simulation on mechanical properties of overlying strata above goaf under surface drilling grouting

CHENXianghong1，TAOLianjin1，ZHAOZhirong2

(1. College of Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2. College of Security, China University of Mining & Technology，Beijing 100083, China)

This paper is devoted to overcoming the notorious difficulties, such as a larger deformation in surrounding rocks and consequent difficult control, which have remained technical challenge facing scientific researchers of mining engineering, especially so in special geological engineering with deep and thin rock mass distribution. The study drawing on the example of the stone GeTai 22303 working face and using the numerical simulation method works toward the law underlying how the displacement and stress change occur in overlying strata above goaf in the case of the surface borehole subjected to an entire-section grouting process. The results demonstrate that the consideration of the elasto-plastic characteristics of surrounding rock and the space constraint effect of surrounding rock in front of the construction face justifies the occurrence of a large vertical differential deformation and stress in the overlying strata within the scope of 1-1.5 times mining height from the working face; a gradual stress release due to an increasing distance from the working face is accompanied by a gradually increasing displacement; and the effects of excavation on the horizontal displacement and stress along the side wall can be negligible when the coal mining height is far less than the length of extraction direction. The study ends with analyzing the mechanics characteristic in strata using cross-section contour, thus contributing to enriching the theory of mechanics of rock above goaf under the technology of surface drilling grouting, and providing an important reference for strata displacement control in the same condition.

surface drilling grouting; goaf; overlying rock; mechanical property; numerical simulation

2015-12-05

陳向紅(1977-)，男，河北省保定人，博士，研究方向：地下工程，E-mail:07872@bjut.edu.cn。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.01.002

TD32

2095-7262(2016)01-0005-05

A