地表钻孔注浆工艺下采空区覆岩力学性态的数值模拟

陈向红，　陶连金，　赵志荣

(1. 北京工业大学 建工学院， 北京 100124； 2. 中国矿业大学 安全学院， 北京 100083)



地表钻孔注浆工艺下采空区覆岩力学性态的数值模拟

陈向红1，陶连金1，赵志荣2

(1. 北京工业大学 建工学院， 北京 100124； 2. 中国矿业大学 安全学院， 北京 100083)

围岩变形大、控制困难等问题一直以来都是采矿界着力研究的技术课题，尤其在薄岩体分布的特殊地质类工程中表现更加突出。以石圪台煤矿22303回采工作面为例，采用数值模拟方法，研究在地表钻孔全段注浆工艺下采空区覆岩位移和应力变化规律。结果表明：计入围岩弹塑性变形特性，考虑作业面前方围岩的空间约束效应，在距离作业面1～1.5倍采高范围内覆岩存在较大的竖向变形和应力差，并随距作业面距离应力逐步释放，位移逐渐增大；当回采高度远小于回采长度时，可不计采煤对侧墙水平位移和应力的影响。利用切面等值线分析了覆岩内的力学性态，研究成果丰富了地表钻孔注浆下的采空区覆岩力学理论，对同类条件下的覆岩变形控制具有重要的借鉴意义。

地表钻孔注浆；采空区；覆岩；力学性态；数值模拟

0　引　言

作为国民经济的支柱产业，煤炭在我国能源结构中仍占据着主导地位。随着煤炭产量的逐年增长及城市环境的不断恶化，安全和绿色开采受到学术界与工业领域的高度关注[1,2]。

目前，国内在控制采煤引起围岩变形的研究，主要侧重于充填采煤覆岩移动规律方面，如朱卫兵等[3]提出覆岩离层分区隔离注浆充填技术，并采用数值模拟方法做了进一步证实；李兴尚等[4]应用PFC颗粒流程序模拟条带煤层整个动态变形发展过程；Xuan Dayang等[5]分析了深厚火成岩的离层注浆对覆岩稳定性的影响；张吉雄[6]、陈杰等[7]运用弹性地基梁理论分析了充填材料弹性模量与覆岩挠度之间的影响关系；黄艳利[8]综合理论建模、力学分析、实验测试和数值模拟等多种方法系统研究了固体密实充填的岩层移动特征和控制机理；李猛等[9]基于弹性地基薄板理论建立了密实充填采煤充填体-基本顶力学模型，并推导了基本顶破断临界条件。上述研究，主要针对采空区和岩石离层的加固处理措施，对于上覆松散层全段注浆工艺[10]下采煤覆岩的变形和应力演化规律尚鲜见报道。鉴于此，笔者以石圪台煤矿22303注浆工作面为例，通过数值模拟方法，研究地表深孔全段注浆采煤覆岩的力学性态，以期为注浆采煤覆岩的变形控制提供理论参考。

1　工程描述

石圪台煤矿22303工作面具有上覆岩层厚度较薄松散层厚度较大的特点，回采至该区域时存在冒顶等影响安全施工的危险。为了控制采煤施工引起的覆岩变形过大，场区提出了“地表钻孔全段注浆工艺”。针对采煤工作面基岩厚度小于30 m的上覆松散层进行注浆加固处理，设计注浆段长度为将基岩厚度加固至约40 m位置。

依据钻孔提供资料，钻孔设计间距为6.0 m，呈正方形6 m×6 m布置，见图1。

注浆工程范围内揭露地层由老到新分布为：细粒砂岩、煤岩(J1-2y)，细粒砂岩、泥岩(J2z)，淤泥质粉砂、粉土(Q4)。地层倾角平缓，近水平状分布。

图1　工作面注浆孔布置示意

2　采空区覆岩力学性态的数值模拟

2.1计算模型的建立

在建模中，综合考虑模型几何特征、收敛性和精度选择单元类型和单元网格尺寸。模型坐标x、y、z分别对应回采掘进方向、采煤工作面宽度方向和地层深度，对应坐标方向模型尺寸36 m×72 m×88 m，采空区侧边界距离模型边界距离取3倍采高，利用有限元软件ANSYS建立实体单元进行模拟。模型边界条件为：沿x和y方向边界均限值水平位移，底部边界约束竖向位移，上边界施加竖向压应力模拟未注浆松散层自重应力荷载。计算时按3 m增量模拟回采长度变化，利用软件提供的单元“生死”功能实现采煤的动态施工过程。三维计算模型如图2a所示。图2b给出了用来分析不同采长下覆岩力学性态的四个观测点。其中Point1～ Point4分别为采空区顶板轴线上距离始发端为6、12、18和24 m的四个点。

a

b

2.2材料参数

根据采场地质勘查报告，选用Drucker-Prager弹塑性模型作为计算分析时围岩的本构模型，经过对材料物理力学性质相近地层的合并与等效，各地层参数如表1所示。

表1　地层划分及参数

3　数值计算与结果分析

为了考察采空区覆岩力学性态的变化规律，文中选取覆岩厚度为20和30 m两种情况下的计算结果进行分析。

3.1各观测点的时空效应分析

经计算，四个观测点竖向位移uz和σz应力随回采长度l的变化规律如图3所示。

a　竖向位移

b　竖向应力

由图3a可知，不同的覆岩厚度下，各观测点竖向位移均随回采长度的增加而增大，其中，覆岩厚度为20 m、回采长度24 m时，观测点1～4的竖向位移分别为20.5、24.8、27.4和28.3 mm；覆岩厚度为30 m时，各观测点竖向位移分别为17、19.5、20.9和21.3 mm。薄岩层更容易产生较大的变形。

由图3b可知，各观测点均在工作面回采至该位置时出现应力极大值，之后随回采长度逐渐衰减，最大应力幅值随观测点由Point1到Point4呈指数形式增长。

3.2沿回采方向顶板轴线竖向位移和应力

为了考察采空区覆岩的力学性态。图4给出了回采长度lh为24 m时采空区顶板轴线竖向位移和应力变化规律。

a　竖向位移

b　竖向应力

由图4可知，在回采工作面附近，由于受到前方围岩的空间约束效应，覆岩应力逐步释放，所以在作业面附近形成较大的应力差降；当离开作业面约1.0～1.5倍的采高时，覆岩不再受围岩约束，竖向位移随之增加。同时，由两种覆岩厚度下的位移和应力曲线发现，覆岩厚度的变化对位移的影响程度明显高于应力。

3.3沿回采方向侧墙水平位移和应力

作为采空区覆岩支撑，侧墙围岩的力学性态也直接影响到覆岩的位移和应力发展。图5给出了工作面回采在横断面内对采空区侧墙水平位移uy和σy应力的扰动影响。

由图5可知，采空区侧墙水平位移和应力相比覆岩竖向位移要小，主要原因可归结为采空区的空间高跨比较小，围岩具备上覆地层载荷作用下的自承能力。受围岩的约束影响，水平位移和应力差亦出现在距离作业面约1.0～1.5倍采高范围内，之后逐渐趋于稳定。

a　水平位移

b　水平应力

3.4覆岩内的力学性态模拟

为了更直观的描述覆岩内的力学性态，图6～8分别示出了沿模型顶板轴线截面的竖向位移、竖向应力和剪应力等值线图。

a　h=30 mm

b　h=20 mm

a　h=30 mm

b　h=20 mm

a　h=30 mm

b　h=20 mm

由图6、7可知，受回采工作面的空间约束影响，在采空区边界存在较大的应力梯度，为应力集中区。之后在远离边界位置逐渐进入降低区，竖向位移增大，表现为梁板的结构挠曲变形特征。进而比较图7和8两种覆岩厚度下的应力等值线还可发现：当覆岩厚度为30 m时，松散层注浆对覆岩变形和应力的影响不明显；而当覆岩厚度降至20 m时，覆岩内应力与注浆应力连成一体，注浆对覆岩的变形和应力发展已产生影响。该结论可进一步证实22303回采工作面所提出的薄覆岩注浆加固处理方案的可行性。

4　结　论

(1)煤炭回采工作面对采空区覆岩有空间约束效应，对于石圪台22303工作面其影响范围约为作业面前方1.0～1.5倍采高，在该范围以外，覆岩竖向应力随距作业面距离的增加而逐步释放，竖向位移逐步增加。

(2)采空区高跨比较小时，煤炭回采对采空区横断面侧墙水平位移和应力的影响相比较小，可协同覆岩共同形成空间承载环承担上覆地层的自重载荷并传递给底板岩层。

(3)通过数值计算，当采用地表钻孔注浆工艺加固地层时，需要在考虑不同厚度覆岩的力学性态后选择注浆参数，以达到合理减沉目的。

[1]缪协兴，钱鸣高．中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望[J]. 采矿与安全工程学报， 2009， 26(1)： 1-14.

[2]LIANG KAIWU, LIU JIKUN, WANG CUIXIA. The Coal mine accident causation model based on the hazard theory [J]. Procedia Engineering, 2011 (26)： 2199-2205.

[3]朱卫兵， 许家林， 赖文奇， 等．覆岩离层分区隔离注浆充填减沉技术的理论研究[J]．煤炭学报，2007， 32(5)： 458-462．

[4]李兴尚，许家林，朱卫兵，等．条带开采垮落区注浆充填技术的理论研究[J]． 煤炭学报， 2008， 33(11)： 1205-1210．

[5]XUAN DAYANG，XU JIALIN，ZHU WEIBING. Dynamic disaster control under a massive igneous-sill by grouting from surface boreholes [J]．International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences， 2014， 71(1)： 176-187．

[6]张吉雄，李 剑，安泰龙，等．矸石充填综采覆岩关键层变形特征研究[J]．煤炭学报， 2010， 35(3)： 357-362．

[7]陈杰， 杜计平， 张卫松， 等．矸石充填采煤覆岩移动的弹性地基梁模型分析[J]．中国矿业大学学报， 2012， 41(1)： 14-19．

[8]黄艳利．固体密实充填采煤的矿压控制理论与应用研究[D]．北京： 中国矿业大学， 2012．

[9]李猛， 张吉雄， 姜海强， 等．固体密实充填采煤覆岩移动弹性地基薄板模型[J]．煤炭学报， 2014， 39(12)： 2369-2373．

[10]何朋朋．注浆段全段注浆的方法．中国， zh201310328853.3[P]. 2013-10-23．

(编辑徐岩)

Numerical simulation on mechanical properties of overlying strata above goaf under surface drilling grouting

CHENXianghong1，TAOLianjin1，ZHAOZhirong2

(1. College of Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2. College of Security, China University of Mining & Technology，Beijing 100083, China)

This paper is devoted to overcoming the notorious difficulties, such as a larger deformation in surrounding rocks and consequent difficult control, which have remained technical challenge facing scientific researchers of mining engineering, especially so in special geological engineering with deep and thin rock mass distribution. The study drawing on the example of the stone GeTai 22303 working face and using the numerical simulation method works toward the law underlying how the displacement and stress change occur in overlying strata above goaf in the case of the surface borehole subjected to an entire-section grouting process. The results demonstrate that the consideration of the elasto-plastic characteristics of surrounding rock and the space constraint effect of surrounding rock in front of the construction face justifies the occurrence of a large vertical differential deformation and stress in the overlying strata within the scope of 1-1.5 times mining height from the working face; a gradual stress release due to an increasing distance from the working face is accompanied by a gradually increasing displacement; and the effects of excavation on the horizontal displacement and stress along the side wall can be negligible when the coal mining height is far less than the length of extraction direction. The study ends with analyzing the mechanics characteristic in strata using cross-section contour, thus contributing to enriching the theory of mechanics of rock above goaf under the technology of surface drilling grouting, and providing an important reference for strata displacement control in the same condition.

surface drilling grouting; goaf; overlying rock; mechanical property; numerical simulation

2015-12-05

陈向红(1977-)，男，河北省保定人，博士，研究方向：地下工程，E-mail:07872@bjut.edu.cn。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.01.002

TD32

2095-7262(2016)01-0005-05

A