[摘　要] 　針對(duì)一般條件下的采空區(qū), 依據(jù)直接頂冒落和基本頂沉降的狀況, 將其劃分為3個(gè)區(qū)域。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)得出的冒高經(jīng)驗(yàn)公式和頂板冒落的碎脹值, 在數(shù)值模擬中, 作相應(yīng)轉(zhuǎn)化, 劃分出
相應(yīng)的區(qū)域, 不同的區(qū)域采用不同的處理方式, 使采空區(qū)更加接近現(xiàn)場(chǎng)條件。
[關(guān)鍵詞] 　采空區(qū); 數(shù)值模擬; 模擬方法
[中圖分類號(hào)] O241　　[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A　　[文章編號(hào)] 100626225 (2005) 0620004202
      采場(chǎng)圍巖的運(yùn)移變形關(guān)系到工作面安全生產(chǎn)、頂板覆巖控制、頂板水防治等方面的問(wèn)題。但是傳統(tǒng)的研究方法在應(yīng)用上有很大的局限性, 而且消耗的時(shí)間長(zhǎng)、成本高, 很難得到理想的分析結(jié)果。一些大型巖土數(shù)值模擬軟件的開(kāi)發(fā), 為采場(chǎng)覆巖問(wèn)題研究提供了新的研究手段。由于還沒(méi)有一套較好的專用于采場(chǎng)研究的軟件, 其他數(shù)值模擬軟件在煤礦開(kāi)采, 特別是對(duì)采空區(qū)模擬方面存在很大的不足,使數(shù)值模擬在煤礦中的應(yīng)用受到了很大的限制。在一些有限元、有限差分等數(shù)值模擬程序中,如果沒(méi)有對(duì)采空區(qū)進(jìn)行一定的處理, 就不可避免地使直接頂、基本頂及其覆巖在運(yùn)動(dòng)和傳遞力的方式上, 與現(xiàn)場(chǎng)相比, 發(fā)生了很大的變化。由此, 數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果就必然產(chǎn)生較大的出入。所以, 有必要采取一定的手段, 來(lái)彌補(bǔ)數(shù)值模擬研究方法上的這些不足。針對(duì)這些情況, 本文在數(shù)值模擬中采空區(qū)處理方面做了一些有益地探討。
1　采空區(qū)區(qū)域劃分
工作面推進(jìn)后, 隨著支架的移動(dòng), 直接頂開(kāi)始冒落, 然后基本頂巖梁斷裂沉降將采空區(qū)冒落的巖層逐步壓實(shí)。在推進(jìn)方向上, 根據(jù)基本頂巖梁沉降的程度和采空區(qū)中冒落的巖層的壓實(shí)程度, 可以把
采空區(qū)分為3個(gè)區(qū)域.
　　 區(qū)域Ⅰ內(nèi)基本頂巖梁尚未接觸采空區(qū)內(nèi)冒落的巖層, 直接頂冒落的巖石松散堆積在采空區(qū)內(nèi); 區(qū)域Ⅱ內(nèi)基本頂巖梁已經(jīng)接觸到采空區(qū)內(nèi)冒落的巖層, 是一個(gè)從基本接觸到逐步壓實(shí)的過(guò)度區(qū)域; 區(qū)域Ⅲ內(nèi)基本頂巖梁基本沉降至最大值, 采空區(qū)內(nèi)冒落的巖層被壓實(shí), 其中的應(yīng)力已趨向于原巖應(yīng)力。據(jù)此, 同樣將數(shù)值模擬模型中的采空區(qū)也劃分為這樣3個(gè)區(qū)域。
2　模型區(qū)域劃分的原則
采場(chǎng)上方的巖層冒高有明顯的規(guī)律性, 在一定的采動(dòng)條件下有確定的數(shù)值, 不是不可捉摸的。一些現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究了巖層彎曲沉降時(shí)的實(shí)際沉降值
SA , 將SA 用采高表示, 則SA = Ks ·h式中, h為采高; Ks 是這些巖層在未冒落和未發(fā)生剪斷情況下, 實(shí)際沉降值和采高的比例系數(shù), 在一般巖層條件下其取值范圍是0135～0150。　可以得出一般巖層條件下冒高為采高兩倍左右的經(jīng)驗(yàn)公式。式中, mz 為冒高; KA為已冒落巖層的碎脹系數(shù), 巖層的碎脹系數(shù)根據(jù)初步現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)研究, 該值變化于1125 ～1135 之間。由以上條件,推知采空覆巖冒落后的高度變化范圍約為2h·(1125 ～ 1135) = (215 ～ 217) h
　　 也就是說(shuō), 當(dāng)基本頂巖梁沉降至約217倍采高處, 采空區(qū)冒落的巖層開(kāi)始對(duì)其有支撐作用; 當(dāng)基
本頂巖梁沉降至215倍采高處, 基本頂巖梁下面的冒落巖層基本處于壓實(shí)狀態(tài), 基本頂趨于穩(wěn)定, 不
再沉降。根據(jù)上述結(jié)論, 在數(shù)值模擬中作相應(yīng)的轉(zhuǎn)化,將數(shù)值模擬模型中的采空區(qū)進(jìn)行區(qū)域劃分, 3個(gè)區(qū)域分布如圖2所示。煤層上面單元在煤層開(kāi)挖后逐漸開(kāi)始變形, 圖2中覆巖單元變形至017H 處時(shí),對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)采空區(qū)基本頂開(kāi)始觸矸, 即217h處; 當(dāng)覆巖單元變形至015H處時(shí), 對(duì)應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)采空區(qū)基本
頂沉降至最大值, 即215h處。3　計(jì)算模型在模擬計(jì)算的模型中, 針對(duì)以上不同的區(qū)域采取措施進(jìn)行處理。一般有兩種方法: 一是對(duì)不同的區(qū)域用不同屬性的材料加以充填, 模擬不同區(qū)域冒落的巖層, 使其對(duì)頂板有支撐作用; 二是采用加支撐反力的方法對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行處理, 模擬采空區(qū)冒
落的巖層對(duì)頂板的支撐作用。本文所建立的模型中采用的是第2種方法。對(duì)區(qū)域Ⅲ部分的頂板加上接近于同水平的原巖應(yīng)力,區(qū)域Ⅱ部分加上有一定梯度的支撐反力, 區(qū)域Ⅰ除了工作面附近, 不加支撐的載荷。
　 由以上模擬的位移和應(yīng)力圖可以比較看出, 對(duì)采空區(qū)處理前后有很大的區(qū)別。在相同的開(kāi)挖情況下, 從位移圖上可以分析出, 如果不對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理, 頂板覆巖位移變化增大很多, 由圖3 ( a)
和圖4 ( a) 中可以明顯看出; 從應(yīng)力圖上可得出,頂、底板的應(yīng)力場(chǎng)也有較大的區(qū)別, 特別是工作面
前方的應(yīng)力集中程度。所以, 必須在數(shù)值模擬中,對(duì)采空區(qū)作相應(yīng)處理, 使該研究手段的研究與現(xiàn)場(chǎng)更加接近。
4　結(jié)論
數(shù)值模擬是一種很重要的研究手段。在數(shù)值模擬中, 一般對(duì)采空區(qū)作充填處理的經(jīng)驗(yàn)公式是和時(shí)
間相關(guān)的。但是在模擬過(guò)程中所建的模型, 無(wú)論是本構(gòu)關(guān)系上還是運(yùn)行的時(shí)步上, 都無(wú)法與經(jīng)驗(yàn)公式中的時(shí)間因素相應(yīng)的擬和起來(lái)。雖然模型中運(yùn)行的時(shí)步與經(jīng)驗(yàn)公式中的時(shí)間相關(guān), 但它們只是一種正變的關(guān)系。因此, 對(duì)采空區(qū)處理時(shí)存有一定的難度。本文對(duì)現(xiàn)場(chǎng)和數(shù)值模擬中的采空區(qū)分別進(jìn)行區(qū)域劃分, 利用這種依據(jù)覆巖沉降的大小對(duì)采空區(qū)的處理方法, 在數(shù)值模擬中較容易對(duì)模型進(jìn)行處理,使建立的模型貼近實(shí)際情況, 較好地模擬出煤礦開(kāi)采后的采場(chǎng)圍巖應(yīng)力和覆巖運(yùn)移變化。