不同充填率下原生矸石充填矿压显现规律的数值模拟.DOC

1、 不同充填率下原生矸石充填矿压显现规律的数值模拟 郑永 ， 徐兵，郭鑫 （山东省新汶矿业集团翟镇煤矿，山东 新泰 271204） 摘要 ： 文章以翟镇煤矿 7402E 充填工作面为例，运用 FLAC3D 软件建立矸石充填数值计算模型，研究不同的充实率条件下原生矸石充填矿压显现规律，并结合现场的施工条件及配套设备，选取 85%为最佳充填率。 关键词： 充填率 原生矸石 矿压显现 数值模拟 1 工作面概况 翟镇煤矿 7402E面 是以原生矸石为充填原料的综合机械化充填工作面， 该工作面平均采深 600m，煤层的平均倾角为 4 ，采高 2.15m，煤层的走向长 178m,倾向长 123m，基本顶为细

2、沙岩，直接顶是由砂岩互层、灰黑色粉砂岩及煤 2 上 2 分层构成的复合顶， 煤层顶底板具体特征见表 1 所示。 表 1 顶、底 板 岩 性 特 征 表 名称 岩石 名称 厚度 /m 岩性特征 基本顶 细砂岩 15.5 裂隙发育，较软，普式硬度系数 f 为 3.0。 直接顶 复合顶板 5.72 2 上 煤 2 分层 与砂岩的互层。 煤 2.15 黑色块状，以暗煤为主，夹亮煤及镜煤条带 。 直接底 细砂岩 7.85 以石英为主，孔隙胶结，细水平层理， f=4.0。 2 不同充填率下原生矸石充填矿压显现规律的数值模拟 2. 1 不同充填率下原生矸石充填数值模拟的建立 根 据煤层顶、底板的岩性特征，可

3、计算得出煤岩层的各项力学参数见表 2 所示。 表 2 煤岩层岩力学 参数 岩层 厚度 /m 密度/(kgm-3) 体积模量 /GPa 剪切模量 /GPa 内聚力 /MPa 抗拉强度 /MPa 内摩擦角 / 泥岩 12.3 2200 2.3 1.6 3.3 2.26 32 细粒砂岩 17.5 2400 3.0 1.7 3.8 2.20 28 泥岩岩 12 2700 4.5 2.7 5.7 3.60 32 细砂岩 15.5 2600 4.2 3.2 4.6 4.31 30 粉砂岩 5.72 2200 2.3 1.6 3.3 2.26 32 2 煤 2.15 1400 1.2 0.6 0.8 1.1

4、0 19 细砂岩 7.85 2600 4.2 3.2 4.6 4.31 30 中砂岩 6.0 2700 4.5 2.7 5.7 3.60 32 粉砂岩 23.0 2400 3.0 1.7 3.8 2.20 28 矸石充填体 1000 1.0 0.3 0.3 0.5 10 本次建立模型如图 1 所示，模拟尺寸为 200 200 120（长宽高），工作面长 110 m，两侧各留 5 m 煤柱，模拟工作面走向长度为 180 m，前后各留 10 m 煤柱。将上覆岩层简化为均布载荷12.75 MPa，且垂直加在模型的上边界，计算中煤岩采用弹塑性本构模型，屈服准则采用 Mohr-Coulumb准 则。 F

5、LAC3D 3.00Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USAStep 1080 Model Perspective15:59:17 Sat Mar 18 2017Center:X: 1.000e+002Y: 1.000e+002Z: 5.500e+001Rotation:X: 10.000Y: 0.000Z: 20.000Dist: 6.530e+002 Mag.: 0.8Ang.: 22.500Block Group粉砂岩 2泥岩 3中砂岩细砂岩 2煤层粉砂岩 1细砂岩 1泥岩 2细粒砂岩泥岩 1F L A C 3 D 3 . 0 0I

6、 t a s c a C o n s u lt in g G r o u p , I n c .M in n e a p o lis , M N U SASt e p 1 0 8 0 M o d e l Pe r s p e c t iv e1 5 : 5 9 : 1 7 Sa t M a r 1 8 2 0 1 7C e n t e r :X: 1 . 0 0 0 e + 0 0 2Y: 1 . 0 0 0 e + 0 0 2Z : 5 . 5 0 0 e + 0 0 1R o t a t io n :X: 1 0 . 0 0 0Y: 0 . 0 0 0Z : 2 0 . 0 0 0D is

7、 t : 6 . 5 3 0 e + 0 0 2 M a g . : 0 . 8An g . : 2 2 . 5 0 0B l o c k G r o u p粉砂岩 2泥岩 3中砂岩细砂岩 2煤层粉砂岩 1细砂岩 1泥岩 2细粒砂岩泥岩 1图 1 三维数值计算模型 2. 2 不同充填率下原生矸石充填矿压显现数值模拟 为研究 该工作面在矸石充填过程中矿压显现的情况，假 设矸石充填体强度满足一定要求 ，且选取不同 充填率的参数变量分别为 65%、 75%、 85%和 95%。基于 FlAC3D数值模拟软件，得到了不同充填率下垂直应力云图 ，如图 2 所示。 FLAC3D 3.00Itasca Co

8、nsulting Group, Inc.Minneapolis, MN USAStep 9008 Model Perspective09:10:49 Mon Mar 20 2017Center:X: 1.000e+002Y: 1.000e+002Z: 5.500e+001Rotation:X: 0.000Y: 0.000Z: 0.000Dist: 6.530e+002 Mag.: 1Ang.: 22.500Plane Origin:X: 0.000e+000Y: 1.000e+002Z: 0.000e+000Plane Normal:X: 0.000e+000Y: 1.000e+000Z: 0

9、.000e+000Contour of SZZPlane: onMagfac = 0.000e+000Gradient Calculation-4.5538e+007 to -4.5000e+007-4.5000e+007 to -4.0000e+007-4.0000e+007 to -3.5000e+007-3.5000e+007 to -3.0000e+007-3.0000e+007 to -2.5000e+007-2.5000e+007 to -2.0000e+007-2.0000e+007 to -1.5000e+007-1.5000e+007 to -1.0000e+007-1.00

10、00e+007 to -5.0000e+006-5.0000e+006 to 0.0000e+0000.0000e+000 to 1.1330e+006Interval = 5.0e+006F L A C 3 D 3 .0 0Ita s c a C o n s u ltin g G ro u p , In c .M in n e a p o lis , M N U S AS te p 1 3 0 0 8 M o d e l P e rs p e c tiv e0 9 :0 8 :5 0 M o n M a r 2 0 2 0 1 7C e n te r:X : 1 .0 0 0 e + 0 0

11、 2Y : 1 .0 0 0 e + 0 0 2Z : 5 .5 0 0 e + 0 0 1R o ta tio n :X : 0 .0 0 0Y : 0 .0 0 0Z : 0 .0 0 0D is t: 6 .5 3 0 e + 0 0 2 M a g .: 1A n g .: 2 2 .5 0 0P la n e O rig in :X : 0 .0 0 0 e + 0 0 0Y : 1 .0 0 0 e + 0 0 2Z : 0 .0 0 0 e + 0 0 0P la n e N o rm a l:X : 0 .0 0 0 e + 0 0 0Y : 1 .0 0 0 e + 0 0

12、0Z : 0 .0 0 0 e + 0 0 0C o n to u r o f S Z ZP la n e : o nM a g fa c = 0 .0 0 0 e + 0 0 0G ra d ie n t C a lc u la tio n-5 .5 9 6 6 e + 0 0 7 to -5 .0 0 0 0 e + 0 0 7-5 .0 0 0 0 e + 0 0 7 to -4 .0 0 0 0 e + 0 0 7-4 .0 0 0 0 e + 0 0 7 to -3 .0 0 0 0 e + 0 0 7-3 .0 0 0 0 e + 0 0 7 to -2 .0 0 0 0 e +

13、0 0 7-2 .0 0 0 0 e + 0 0 7 to -1 .0 0 0 0 e + 0 0 7-1 .0 0 0 0 e + 0 0 7 to 0 .0 0 0 0 e + 0 0 00 .0 0 0 0 e + 0 0 0 to 6 .8 5 9 5 e + 0 0 5In te rv a l = 1 .0 e + 0 0 7FLAC3D 3.00Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USAStep 8008 Model Perspective09:20:51 Mon Mar 20 2017Center:X: 1.000e+002Y

14、: 1.000e+002Z: 5.500e+001Rotation:X: 0.000Y: 0.000Z: 0.000Dist: 6.530e+002Mag.: 1Ang.: 22.500Plane Origin:X: 0.000e+000Y: 7.000e+001Z: 0.000e+000Plane Normal:X: 0.000e+000Y: 1.000e+000Z: 0.000e+000Contour of SZZPlane: onMagfac = 0.000e+000Gradient Calculation-3.7143e+007 to -3.6000e+007-3.6000e+007

15、to -3.4000e+007-3.4000e+007 to -3.2000e+007-3.2000e+007 to -3.0000e+007-3.0000e+007 to -2.8000e+007-2.8000e+007 to -2.6000e+007-2.6000e+007 to -2.4000e+007-2.4000e+007 to -2.2000e+007-2.2000e+007 to -2.0253e+007Interval = 2.0e+006F L A C 3 D 3 .0 0I t a s c a C o n s u lt in g G r o u p , I n c .M i

16、n n e a p o lis , M N U S AS t e p 1 3 0 0 8 M o d e l P e r s p e c t iv e0 9 : 2 4 : 2 6 M o n M a r 2 0 2 0 1 7C e n t e r :X : 1 . 0 0 0 e + 0 0 2Y : 1 . 0 0 0 e + 0 0 2Z : 5 . 5 0 e + 0 0 1R o t a t io n :X : 0 . 0 0 0Y : 0 . 0 0 0Z : 0 . 0 0 0D is t : 6 . 5 3 0 e + 0 0 2M a g . : 1A n g . : 2

17、2 . 5 0 0P la n e O r ig in :X : 0 . e + 0 0Y : 1 . 0 e + 0 2Z : 0 . e + 0 0P la n e N o r m a l:X : 0 . 0 0 0 e + 0 0 0Y : 1 . 0 0 0 e + 0 0 0Z : 0 . 0 0 0 e + 0 0 0C o n t o u r o f S Z ZP la n e : o nM a g f a c = 0 . 0 0 0 e + 0 0 0G r a d ie n t C a lc u la t io n- 5 . 5 5 1 7 e + 0 0 7 t o - 5

18、 . 0 0 0 0 e + 0 0 7- 5 . 0 0 e + 0 0 7 t o - 4 . 0 0 0 0 e + 0 0 7- 4 . 0 0 e + 0 0 7 t o - 3 . 0 0 0 0 e + 0 0 7- 3 . 0 0 e + 0 0 7 t o - 2 . 0 0 0 0 e + 0 0 7- 2 . 0 0 e + 0 0 7 t o - 1 . 0 0 0 0 e + 0 0 7- 1 . 0 0 e + 0 0 7 t o 0 . 0 0 0 0 e + 0 0 00 . 0 0 0 e + 0 0 0 t o 8 . 3 1 5 6 e + 0 0 5I

19、n t e r v a l = 1 . 0 e + 0 0 7a.充填率为 65% b.充填率为 75% FLAC3D 3.00Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USAStep 8 08 Model Perspective09:40:36 Mon Mar 20 2017Center:X: 1.000e+002Y: 1. 2Z 55 1Rotation:X: 0.000Y: . 00Z: . 00Dist: 6.530e+ 02 Mag.: 1Ang.: 22.500Plane Origin:X: 0.000e+000Y: 5.400e+0

20、01Z: 0.000e+000Plane Normal:X: 0.000e+000Y: 1.000e+000Z: 0.000e+000Contour of SZZPlane: onMagfac = 0. 0e+000Gradient Calculation- .9498 07 to -2.9 0e+ 07-2.9 07 to -2.8 0e+ 07-2.8 07 to -2.7 0e+ 07-2.7 07 to-2.6 0e+ 7-2.6 0e+ 7 to -2.50 0e+ 07-2.5000e+ 07 to -2.4000e+007-2.4000e+007 to -2.3000e+007-

21、2.3000e+007 to -2.2000e+007-2.2000e+007 to -2.1000e+007-2.1000e+007 to -2.0345e+007Interval = 1.0e+006F L A C 3 D 3 .0 0Ita s c a C o n s u ltin g G ro u p , In c .M in n e a p o lis , M N U S AS te p 1 3 0 0 8 M o d e l P e rs p e c tiv e0 9 :3 4 :5 0 M o n M a r 2 0 2 0 1 7C e n te r:X : 1 .0 0 0

22、e + 0 0 2Y : 1 .0 0 0 e + 0 0 2Z : 5 .5 0 0 e + 0 0 1R o ta tio n :X : 0 .0 0 0Y : 0 .0 0 0Z : 0 .0 0 0D is t: 6 .5 3 0 e + 0 0 2 M a g .: 1A n g .: 2 2 .5 0 0P la n e O rig in :X : 0 .0 0 0 e + 0 0 0Y : 8 .0 0 0 e + 0 0 1Z : 0 .0 0 0 e + 0 0 0P la n e N o rm a l:X : 0 .0 0 0 e + 0 0 0Y : 1 .0 0 0 e

23、 + 0 0 0Z : 0 .0 0 0 e + 0 0 0C o n to u r o f S Z ZP la n e : o nM a g fa c = 0 .0 0 0 e + 0 0 0G ra d ie n t C a lc u la tio n-5 .3 2 9 6 e + 0 0 7 to -5 .0 0 0 0 e + 0 0 7-5 .0 0 0 0 e + 0 0 7 to -4 .0 0 0 0 e + 0 0 7-4 .0 0 0 0 e + 0 0 7 to -3 .0 0 0 0 e + 0 0 7-3 .0 0 0 0 e + 0 0 7 to -2 .0 0 0

24、 0 e + 0 0 7-2 .0 0 0 0 e + 0 0 7 to -1 .0 0 0 0 e + 0 0 7-1 .0 0 0 0 e + 0 0 7 to 0 .0 0 0 0 e + 0 0 00 .0 0 0 0 e + 0 0 0 to 7 .4 7 2 4 e + 0 0 5In te rv a l = 1 .0 e + 0 0 7FLAC3D 3.00Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USAStep 8 8 Model Perspective09: 7:26 Mon Mar 20 2 17Center:X: 1.000

25、e+002Y: 1.000e+002Z 55 1Rotation:X: 0.000Y: 0.000Z . 00Dist: 6.530e+002Mag: 1Ang.: 22.5Plane Origin:X: 0.000e+000Y: 5.200e+001Z: 0.000e+ 0Plane Normal:X: 0.000e+000Y: 1.000e+000Z: . 00e+000Contour of SZZPlane: onMagfac = 0.000e+000Gradient Calculation-2.8089e+007 to -2.8000e+007-2.8000e+007 to -2.70

26、00e+007-2.7000e+007 to -2.6000e+007-2.6000e+007 to -2.5000e+007-2.5000e+007 to -2.4000e+007-2.4000e+007 to -2.3000e+007-2.3000e+007 to -2.2000e+007-2.2000e+007 to -2.1000e+007-2.1000e+007 to -2.0345e+007Interval = 1.0e+006F L A C 3 D 3 .0 0I t a s c a C o n s u lt in g G r o u p , I n c .M in n e a

27、p o lis , M N U S AS t e p 1 3 0 0 8 M o d e l P e r s p e c t iv e0 9 : 5 2 : 0 6 M o n M a r 2 0 2 0 1 7C e n t e r :X : 1 . 0 0 e + 0 0 2Y : 1 . 0 0 e + 0 0 2Z : 5 . 5 0 e + 0 0 1R o t a t io n :X : 0 . 0 0 0Y : 0 . 0 0 0Z : 0 . 0 0 0D is t : 6 . 5 3 0 e + 0 0 2M a g . : 1A n g . : 2 2 . 5 0 0P l

28、a n e O r ig inX : 0 . 0 0 + 0Y : 8 . 0 0 + 1Z : 0 . 0 0 + 0P la n e N o r m a l:X : 0 . 0 0 0 e + 0 0 0Y : 1 . 0 0 0 e + 0 0 0Z : 0 . 0 0 0 e + 0 0 0C o n to u r o f S Z ZP la n e : o nM a g f a c = 0 . 0 0 0 e + 0 0 0G r a d ie n t C a lc u la t io n- 4 . 9 4 1 0 e + 0 0 7 t o - 4 . 5 0 0 0 e + 0

29、0 7- 4 . 5 0 0 0 e + 0 0 7 t o - 4 . 0 0 0 0 e + 0 0 7- 4 . 0 0 0 0 e + 0 0 7 t o - 3 . 5 0 0 0 e + 0 0 7- 3 . 5 0 0 0 e + 0 0 7 t o - 3 . 0 0 0 0 e + 0 0 7- 3 . 0 0 0 0 e + 0 0 7 t o - 2 . 5 0 0 0 e + 0 0 7- 2 . 5 0 0 0 e + 0 0 7 t o - 2 . 0 0 0 0 e + 0 0 7- 2 . 0 0 0 0 e + 0 0 7 t o - 1 . 5 0 0 0

30、e + 0 0 7- 1 . 5 0 0 0 e + 0 0 7 t o - 1 . 0 0 0 0 e + 0 0 7- 1 . 0 0 0 0 e + 0 0 7 t - 5 . 0 0 0 0 e + 0 0 6- 5 . 0 0 0 0 e + 0 0 6 t o 0 . 0 0 0 0 e + 0 0 00 . 0 0 0 0 e + 0 0 0 t o 9 . 0 4 7 4 e + 0 0 5I n t e r v a l = 5 . 0 e + 0 0 6c.充填率为 85% d.充填率为 95% 图 2 不同充填率下原生矸石充填矿压显现数值模拟 3 不同充填率下原生矸石充填矿

31、压显现规律分析 1）采空区顶板垂直应力大小自下而上逐级递 减，呈分层分布。工作面回采过程中，不同充填率的垂直应力分布范围是不断变化的。 2）随着充填率的增大，采空区顶板应力释放程度逐渐减弱，当充填率 65%时，采空区顶板应力释放程度较为明显，此时垂直应力峰值较大为 45.5 MPa，之后随着充填率的增大，当充填率 75%时，垂直应力峰值为 37.1 MPa，采空区顶板应力释放程度变化较小；当充填率 85%时，采空区顶板应力释放程度较弱，此时垂直应力峰值为 29.5 MPa；之后随着充填率的增大，当充填率为 95%时，垂直应力峰值较小为 28 MPa，采空区顶板应力释放程度基本不变 。 可见，当

32、充填率为 65%和 75%时，采空区顶板受采动影响较大，充填率大小对采空区顶板垂直应力的影响较为显著；当充填率为 85%和 95%时，采空区顶板受采动影响较小，充填率大小对采空区顶板垂直应力的影响不大。 4 主要 结论 根据前面 FLAC3D 数值模拟分析，结合该充填工作面实际生产条件，可得出以下结论： 1）充填率是 控制充填工作面矿压显现的关键参数 ，随着充填率的增大，采空区顶板应力释放程度逐渐减弱 。 2） 随着充填率的增加，采空区顶板受采动的影响速率出现先增大后减小的情况，且当充填率从85%到 95%变化时， 采空 区顶板受采动影响 变化较小。 3）综合效率和效益及施工技术等条件， 结合该工作面的实际地质条件及机械化设备，可选取85%为最佳充填率，既能有效的控制矿山压力，又能提高人工效率。 参考文献： 1 王磊 . 固体密实充填开采岩层移动机理及变形预测研究 D. 中国矿业大学 , 2012:21-23. 2 谭云亮 . 矿山压力与岩层控制 M. 煤炭工业出版社 , 2011:45-47. 3 彭文斌 . FLAC 3D 实用教程 M. 机械工业出版社 , 2008 4 姚宝志 . 固体充填开采地表沉陷规律数值模拟 J. 煤矿安全， 2012，（ 01） :171-173.