不同充填率下原生矸石充填矿压显现规律的数值模拟

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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，基本顶为细沙岩

2、，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5.722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

3、学参数岩层厚度/m密度/(kg·m-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12.322002.31.63.32.2632细粒砂岩17.524003.01.73.82.2028泥岩岩1227004.52.75.73.6032细砂岩15.526004.23.24.64.3130粉砂岩5.7222002.31.63.32.26322煤2.1514001.20.60.81.1019细砂岩7.8526004.23.24.64.3130中砂岩6.027004.52.75.73.6032粉砂岩23.0240

4、03.01.73.82.2028矸石充填体10001.00.30.30.510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110m，两侧各留5m煤柱，模拟工作面走向长度为180m，前后各留10m煤柱。将上覆岩层简化为均布载荷12.75MPa，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。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

5、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。a.充填率为65%b.充填率为75%c.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45.5MPa，之后随着充填

6、率的增大，当充填率75%时，垂直应力峰值为37.1MPa，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29.5MPa；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28MPa，采空区顶板应力释放程度基本不变。可见，当充填率为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

7、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[

8、M].煤炭工业出版社,2011:45-47.[3]彭文斌.FLAC3D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）:171-17