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孔学伟（1985—），男，主任，工程师，661000云南省个旧市。
某铁矿采空区稳定性的数值模拟分析孔学伟1徐培良1杨八九2者亚雷2（1.云南锡业股份有限公司；2.云南亚融矿业科技有限公司）摘要某铁矿I 号铜矿带浅部采用浅孔房柱法开采，经过近7a 的开采，从800m 分段至880m分段共形成145个采空区，采空区内存在大量尺寸不等的间柱、点柱、顶、底柱，部分采空区已贯通，空实比约为3∶1，采空区体积之和约为95.2万m 3。
为探讨该采空区的稳定性，在现场调查、室内岩石力学实验及矿岩体质量分级的基础上，采用FLAC 3D 有限差分法，对矿体开采至不同中段时采空区、矿柱等的稳定性及采空区对地表充填制备站的影响进行研究。
结果表明：145个采空区中有18个采空区顶板存在明显的拉应力，且位移量也相对较大，如不及时处理，随着矿柱荷载的不断增加，会导致矿柱失稳破坏，最终引发一系列的地压问题。
研究成果为矿山采空区的治理提供了理论依据。
关键词采空区点柱有限差分应力集中荷载失稳破坏DOI ：10.3969/j.issn.1674-6082.2021.03.062Numerical Simulation Analysis on Goaf Stability of an Iron Mine KONG Xuewei 1XU Peiliang 1YANG Bajiu 2ZHE YaLei 2（1.Yunnan Tin Co.，Ltd.；2.Yunnan Yarong Mining Technical Co.Ltd.）AbstractThe shallow part of No.1copper belt of an iron mine is mined by shallow hole room and pil⁃lar method.After nearly seven years of mining ，145goafs have been formed from 800m to 880m.There are a large number of pillars ，point pillars ，top and bottom pillars in the goafs.Some of the goafs have been connected ，the ratio of air to solid is about 3∶1，and the total volume of mined out areas is about 952000m 3.In order to explore the stability of the goaf ，on the basis of field investigation ，indoor rock mechanics ex⁃periment and rock mass quality classification ，FLAC 3D finite difference method is used to study the stabilityof goaf and pillar when the ore body is mined to different middle sections and the influence of goaf on sur⁃face filling preparation station.The results show that:there are obvious tensile stress in the roof of 18goafs in 145goafs ，and the displacement is relatively large.If not handled in time ，with the increasing of pillar load ，it will lead to pillar instability and failure ，and eventually lead to a series of ground pressure prob⁃lems.The research results provide a theoretical basis for the treatment of mined out areas.Keywordsgoaf ，point column ，finite difference ，stress concentration ，load ，instability failure总第623期2021年3月第3期现代矿业MODERN MININGSerial No.623March .2021矿体在开采条件下引起的应力二次分布以及矿岩移动变形规律都非常复杂，仅仅从理论方面对其进行计算分析，很难客观而全面地反映研究对象的变化过程，必须借助理论计算之外的其它研究手段［1-3］。
煤矿采空区岩体渗透性计算模型及其数值模拟分析孟召平;张娟;师修昌;田永东;李超【摘要】煤矿采空区岩体渗透性是煤矿采空区煤层气抽采设计的基本参数.从煤矿采空区岩体变形-破坏特征分析入手,通过理论分析研究了岩体渗透性与应力之间的耦合关系和模型,揭示了采空区岩体应力-应变和渗透性分布规律.研究结果表明:不同岩性岩石的渗透性在全应力-应变过程中为应变的函数,采空区岩体渗透性决定于岩体破坏程度和断裂的张开度,基于采空区岩体应力-应变导致断裂开度变化,推导了采空区岩体渗透系数与应力之间的三维关系与模型;应用FLAC3D计算软件,对采空区岩体应力-应变-渗透性进行了数值模拟计算,分析了采空区岩体的变形破坏的分区分带特征,在纵向上自上而下形成弯曲下沉带、断裂带和垮落带;在横向上划分为原岩应力区、超前压力压缩区、卸载应力区和岩体应力恢复区;揭示了采空区岩体渗透性分布与采空区岩体应力-应变和破坏规律相一致的特征.无论是垂直渗透系数比(Kz/Kz0),还是水平渗透系数比(Ky／Ky0),均随着距开采煤层垂直距离的增大,采空区岩体渗透性逐渐减小,且采空区边缘的渗透系数较大,采空区两侧煤柱区岩体渗透性显著降低.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2016(041)008【总页数】9页(P1997-2005)【关键词】煤矿采空区;应力-应变;破坏特征;渗透性【作者】孟召平;张娟;师修昌;田永东;李超【作者单位】中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室,湖北宜昌443002;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;山西蓝焰煤层气集团有限责任公司,山西晋城048006;中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;山西蓝焰煤层气集团有限责任公司,山西晋城048006【正文语种】中文【中图分类】P618.11随着煤层气勘探工作的不断深入，为保证煤层气勘探开发的持续性发展，抽采煤矿采空区煤层气，已成为煤矿区煤层气的重要资源之一。
煤矿采空区在数值模拟中的处理方法刘志河,马其华,曹建军(山东科技大学资源与环境工程学院,山东青岛266510)[摘 要] 针对一般条件下的采空区,依据直接顶冒落和基本顶沉降的状况,将其划分为3个区域。
通过现场观测得出的冒高经验公式和顶板冒落的碎胀值,在数值模拟中,作相应转化,划分出相应的区域,不同的区域采用不同的处理方式,使采空区更加接近现场条件。
[关键词] 采空区;数值模拟;模拟方法[中图分类号]O 241[文献标识码]A[文章编号]1006 6225(2005)06 0004 02A Si m ulativeM ethod of Gob in Nu m erical Si m ulationLI U Zhi he ,MA Q i hua ,C AO Jian j u n(Res ource&Environm ental Engi n eeri ng C ollege ,Shandong Un i versit y of Science &Techn ol ogy ,Q i ngdao 266510,C h i na)Abstrac t :B ased on the cond ition o f i m m ed i a te roo f fa lli ng and ma i n roof settle m en t ,directed t ow ard genera l cond ition ,the gob is d i v i ded into three areas .In nu m erical s i m u l ation ,correspond i ng d i v isi on i s done according to e m pir i ca l equation o f f a lli ng h i gh and the va l ue o f crack and s we lli ng .D ifferente process i ng m odes are adopted i n differente areas so that the gob is c l o ser to rea l conditi on .K ey word s :gob ;nu m erical s i m u l ation ;si m ulati ve m ethod[收稿日期]2005-07-18[作者简介]刘志河(1980-),男,河北邯郸人,采矿工程专业硕士研究生,从事矿山压力与岩层控制方面的研究。
采场围岩的运移变形关系到工作面安全生产、顶板覆岩控制、顶板水防治等方面的问题。
但是传统的研究方法在应用上有很大的局限性,而且消耗的时间长、成本高,很难得到理想的分析结果。
一些大型岩土数值模拟软件的开发,为采场覆岩问题研究提供了新的研究手段。
由于还没有一套较好的专用于采场研究的软件,其他数值模拟软件在煤矿开采,特别是对采空区模拟方面存在很大的不足,使数值模拟在煤矿中的应用受到了很大的限制。
在一些有限元、有限差分等数值模拟程序中,如果没有对采空区进行一定的处理,就不可避免地使直接顶、基本顶及其覆岩在运动和传递力的方式上,与现场相比,发生了很大的变化。
由此,数值模拟的计算结果就必然产生较大的出入。
所以,有必要采取一定的手段,来弥补数值模拟研究方法上的这些不足。
针对这些情况,本文在数值模拟中采空区处理方面做了一些有益地探讨。
1 采空区区域划分工作面推进后,随着支架的移动,直接顶开始冒落,然后基本顶岩梁断裂沉降将采空区冒落的岩层逐步压实。
在推进方向上,根据基本顶岩梁沉降的程度和采空区中冒落的岩层的压实程度,可以把采空区分为3个区域,如图1所示。
图1 采空区区域划分区域 内基本顶岩梁尚未接触采空区内冒落的岩层,直接顶冒落的岩石松散堆积在采空区内;区域 内基本顶岩梁已经接触到采空区内冒落的岩层,是一个从基本接触到逐步压实的过度区域;区域!内基本顶岩梁基本沉降至最大值,采空区内冒落的岩层被压实,其中的应力已趋向于原岩应力。
据此,同样将数值模拟模型中的采空区也划分为这样3个区域。
2 模型区域划分的原则采场上方的岩层冒高有明显的规律性,在一定的采动条件下有确定的数值,不是不可捉摸的。
一些现场实测研究了岩层弯曲沉降时的实际沉降值S A ,将S A 用采高表示,则S A =K s ∀h式中,h 为采高;K s 是这些岩层在未冒落和未发生4第10卷第6期(总第67期)2005年12月煤 矿 开 采CoalM i n i ng T echno l ogy V o1 10N o 6(Ser i es N o 67)Dece m ber 2005剪断情况下,实际沉降值和采高的比例系数,在一般岩层条件下其取值范围是0 35~0 50。
这样由经验公式mz =h-S A K A-1可以得出一般岩层条件下冒高为采高两倍左右的经验公式。
式中,m z为冒高;K A为已冒落岩层的碎胀系数,岩层的碎胀系数根据初步现场观测研究,该值变化于1 25~1 35之间。
由以上条件,推知采空覆岩冒落后的高度变化范围约为2h∀(1 25~1 35)=(2 5~2 7)h也就是说,当基本顶岩梁沉降至约2 7倍采高处,采空区冒落的岩层开始对其有支撑作用;当基本顶岩梁沉降至2 5倍采高处,基本顶岩梁下面的冒落岩层基本处于压实状态,基本顶趋于稳定,不再沉降。
根据上述结论,在数值模拟中作相应的转化,将数值模拟模型中的采空区进行区域划分,3个区域分布如图2所示。
煤层上面单元在煤层开挖后逐渐开始变形,图2中覆岩单元变形至0 7H处时,对应现场采空区基本顶开始触矸,即2 7h处;当覆岩单元变形至0 5H处时,对应现场采空区基本顶沉降至最大值,即2 5h处。
图2 模型中采空区区域的划分3 计算模型在模拟计算的模型中,针对以上不同的区域采取措施进行处理。
一般有两种方法:一是对不同的区域用不同属性的材料加以充填,模拟不同区域冒落的岩层,使其对顶板有支撑作用;二是采用加支撑反力的方法对不同区域进行处理,模拟采空区冒落的岩层对顶板的支撑作用。
本文所建立的模型中采用的是第2种方法。
对区域!部分的顶板加上接近于同水平的原岩应力,区域部分加上有一定梯度的支撑反力,区域 除了工作面附近,不加支撑的载荷。
模拟结果的剖面图如图3、图4所示。
图3采空区经过处理后的模拟结果图4 采空区未经处理的模拟结果(下转12页)5刘志河等:煤矿采空区在数值模拟中的处理方法2005年第6期再进行推广。
煤柱开采既涉及开采方法,同时也涉及地面保护,其生产成本必定有所增加。
因此,煤柱开采是长远效益与企业现实效益的结合,须制定相关的政策予以鼓励,提高开采煤柱的积极性。
同时,煤柱的开采利用涉及大同矿区的可持续发展,须进行统筹规划,以保证充分利用,减少资源的损失。
4 结束语通过对矿区煤柱的统计分析,表明大同矿区煤柱储量巨大,如何利用煤柱储量是保证可持续发展必须解决的问题。
通过对煤柱的详细调查,基本掌握了矿区煤柱的现状,提出了适用于大同矿区煤柱开采的技术方法和对策,但煤柱开采是复杂的系统工程,须通过实践不断积累经验,以达到最大限度地开发地下资源的目标。
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在相同的开挖情况下,从位移图上可以分析出,如果不对采空区进行处理,顶板覆岩位移变化增大很多,由图3(a)和图4(a)中可以明显看出;从应力图上可得出,顶、底板的应力场也有较大的区别,特别是工作面前方的应力集中程度。
所以,必须在数值模拟中,对采空区作相应处理,使该研究手段的研究与现场更加接近。
4 结论数值模拟是一种很重要的研究手段。
在数值模拟中,一般对采空区作充填处理的经验公式是和时间相关的。
但是在模拟过程中所建的模型,无论是本构关系上还是运行的时步上,都无法与经验公式中的时间因素相应的拟和起来。
虽然模型中运行的时步与经验公式中的时间相关,但它们只是一种正变的关系。
因此,对采空区处理时存有一定的难度。
本文对现场和数值模拟中的采空区分别进行区域划分,利用这种依据覆岩沉降的大小对采空区的处理方法,在数值模拟中较容易对模型进行处理,使建立的模型贴近实际情况,较好地模拟出煤矿开采后的采场围岩应力和覆岩运移变化。
[参考文献][1] 宋振骐,等.实用矿山压力控制[M].徐州:中国矿业大学出版社,1988.[2] Fast Lagrangian Anal ys i s of C on ti nua i n3D i m ens i on s[M].Itasca Cons u lti ng,Inc.1999.[责任编辑:邹正立]12总第67期煤 矿 开 采2005年第6期。
