急倾斜煤层充填开采的数值模拟.pdf

第25卷第3期矿业工程研究V01．25No．3
2010年9月MineralEngineeringResearchSept．2010

急倾斜煤层充填开采的数值模拟

黄俊，王卫军，王林，张永青

(湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南湘潭4112o1)

摘要：建筑物下压煤开采已成为许多矿区面临的主要问题，严重制约着矿区的可持续发展．充填开采是我国建筑物下采煤的主
要技术之一潆有效解决煤矿开采造成的环境问题以及最大限度的控制地表沉陷．针对湘潭矿业公司二矿的实际情况，运用RFPA数
值模拟软件，分析了急倾斜煤层开采过程中，全部垮落法开采、留区段煤柱开采、区段留煤柱充填开采时煤层顶板及地表的运动规律，
计算结果表明，充填开采能改变上覆岩层的运动规律，显著减小岩层沉降，有效地控制地表位移．
关键词：急倾斜煤层。充填开采，地表沉陷
中图分类号：TD823．7文献标识码：A文章编号：1674—5876(2010)03-0016-04

据国有重点煤矿的不完全统计资料，目前我国“三允许值4mn4m，曲率最大允许值0．4×10m-I倾斜最
下”压煤约137．9X10st，其中建筑物下压煤为87．6X大允许值6mln／m．实施建筑物采煤的关键是控制地表
10st[1~1．随着社会经济的发展，对煤炭的需求逐年增加，沉降，故必须在采煤过程中控制煤层顶板的断裂与垮
建筑物下压煤开采已成为许多矿区面临的主要问题，落，主要控制岩层移动的采煤方法有条带开采、限厚开
严重制约着矿区的可持续发展．因此，进行建筑物下采采和充填开采．
煤研究具有十分重要的意义．
2数值模拟
国内现行建筑物下采煤技术主要有2大类，一是
条带开采，二是充填开采．条带开采的主要问题是回收急倾斜煤层开采的岩层移动规律与近水平煤层、
率低；矸石充填技术的目的是安全高效高回收率的开倾斜煤层有显著不同，开采引起的地表移动也有较大
采出建筑物下压煤，并将地面矸石充填于井下采空区，差别．沿用一般的矿压理论难以对急倾斜煤层开采的
实现对岩层及地表移动变形的控制，目前充填开采技岩层运动进行准确的判断．因此，采用大型岩石力学数
术已日益受到煤矿的重视[3．41．值计算软件“RFPA”(RealisticFailureProcessAnalysis)
对岩层破坏过程及其移动规律进行较精确的判断是
1工程概况
必要的．
湘潭矿业公司二矿煤层赋存极不稳定，主采煤层开采过程中，岩石产生非线性变形，就是因为岩石
为12号煤层，煤层厚度2rn左右，煤层直接顶底为泥在受载过程中其内部不断产生微细破裂．这种微细破
岩，不稳定，顶板易垮落，煤层平均倾角为60。，属于急倾裂的不断发展便导致最终的宏观破坏．通常的有限元
斜煤层．煤层埋藏深度较浅，为70170m，地面建筑物方法尽管可以模拟岩石的非线性变形，但只是在宏观
为砖混二层至三层楼房，按照《建筑物、水体、铁路及主行为上的一种“形似”，而没有模拟出岩石在变形过程
要井巷煤柱留设与压煤开采规程》规定，地面建筑物属中的微裂进程，因而不能做到“神似”．而RFPA软件充
于Ⅱ类保护等级建筑物，开采后的地表水平变形最大分考虑岩石破裂过程中伴随的非线性、非均匀和各向

收稿日期：2010—06-23
基金项目：湖南省科技厅重点资助项目(2oo9FJ2005)
通信作者：王卫军(1965’】，男，湖南涟源人，博士。教授，研究方向：巷道围岩控制．E—mail：wjwang@hnust
．edu．cn

I6
异性等特点，较大幅度提高了模拟的精确度泪前，该软250350m区域地表产生微裂隙．
件已广泛用于矿山及其他岩土工程领域．从图2b中看到，当煤层开采至一90m水平时，7煤
本RFPA模型的数值模拟区域选取长400m，竖向开始有松动迹象，煤层露头处微裂隙进一步扩大，其他
尺度厚度总计200m，左右两边界对其水平方向位移施区域裂隙也增加，地表下沉增加．
加约束，上边界为自由边，下边界为固定边，位移模型水从图2c中看到，当煤层开采至一100In水平时I’7
平方向向右为正，垂直方向向下为正【5Iq．通过分布开挖煤上部开始垮落，开采区域上方煤岩体中的裂隙与露
来模拟采动影响，根据实际情况选择岩层及其物理力头处裂隙有联通的迹象，露头裂隙发展成宏观裂隙，地
学参数，各岩层的物理力学参数见图1和表1．表下沉进一步加剧．地表垂直与水平位移见图3和图
4所示．

稔
榴

图1数值计算模型
离煤层露头线距离，m
Fig．1Numericalmodel
图3地表垂直位移曲线
袁1各岩层物理力学参数
Fig．3SguⅢrf，acevemcal懈d冒isplacementcurve
Tab．1Physicalandmechanicalparameterso9fr8oc7k65432