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1、急傾斜煤層開采地表移動規(guī)律數(shù)值模擬探究摘要：為了研究急傾斜煤層開采下地表沉陷的移動規(guī)律，運用求解非線性大變形問題有限差分法(FLAC3D)對急傾斜煤層開采下進行數(shù)值模擬，重點分析了巖體移動引起的地表變形。結(jié)果表明：急傾斜煤層開采下地表在走向呈對稱性下沉盆地，而在傾向上呈非對稱性的兜瓢形下沉盆地，地表的變形主要集中在煤層頂板方向一側(cè)，以及最大下沉點和水平移動向煤層的上山方向偏移。關(guān)鍵詞：急傾斜煤層；地表沉陷；數(shù)值模擬中圖分類號：TD823文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號:1672-1098(2012)03-0071-0
2、4因采礦引起的巖層移動波及到地表，使地表產(chǎn)生移動、變形、破壞的現(xiàn)象以及過程稱為地表移動。開采引起的地表移動過程受多種地質(zhì)因素和開采因素影響，隨著采深、采厚、采煤方法以及煤層產(chǎn)狀等因素的不同，地表沉陷的大小也完全不同。煤系地層傾角是決定上覆巖層的移動和破壞形式及地表移動與變形程度的重要因素之一。當(dāng)前我國“三下”采煤一直是國內(nèi)外煤炭行業(yè)的重要研究課題，煤礦開采引起的地表沉陷問題一直以來都是礦山研究的熱點問題。但是概率積分法只適用于緩傾斜煤層，由于急傾斜煤層地質(zhì)條件及破壞機理和水平煤層開采時有本質(zhì)的不同，所以對于
3、急傾斜多煤層開采引起地表移動的許多現(xiàn)象還沒有得到滿意的解釋，對于急傾斜煤層預(yù)計偏差較大。為此迫切需要對這類礦山的地表移動規(guī)律問題進行全面研究。本文用建立在拉格朗日算法基礎(chǔ)上的FLAC3D有限元分析軟件，對因煤層開采引起的地表沉陷規(guī)律進行了數(shù)值模擬研究，對急傾斜多煤層開采造成的地表沉陷變形進行預(yù)測分析和探討，為工程實踐提供理論依據(jù)。1地質(zhì)背景新集三礦位于鳳臺縣境內(nèi)，處于淮南煤田中段南部的邊緣。淮南新集三礦西三采區(qū)新生界地層由第四系和第三系組成，厚度為143?167m,屬于厚沖積層。煤層傾角平均為60°。淮南新
4、集三礦西三采區(qū)主要可采煤層有2層，分別為13-1和11-2,煤層間距平均55m。由于井田特殊的區(qū)域構(gòu)造位置，煤系地層呈不對稱傾伏倒轉(zhuǎn)褶曲形態(tài)，地層走向東西。采煤方法目前主要采用偽傾斜柔性掩護支架采煤法。采用全部垮落法管理頂板。2急傾斜多煤層開采數(shù)值模擬2.1模型的建立根據(jù)模型設(shè)計的原則，結(jié)合新集三礦地質(zhì)條件，模型的長寬髙分別為1200m,700m,400in（見圖1）。2.2本構(gòu)關(guān)系的確立巖石力學(xué)彈塑性數(shù)值分析中，物理模型的選擇具有較大的靈活性，不同類型的巖體應(yīng)當(dāng)采用不同類型的、最適宜的模型。模型是否正確，
5、是否符合巖石的基本特性，直接影響到計算結(jié)果是否有價值。本文主要研究地表沉陷變形移動規(guī)律，各模型在開采前處于原巖應(yīng)力狀態(tài)，采用理想的彈塑性模型，破壞準(zhǔn)則選用mohr-coulomb準(zhǔn)則。力學(xué)參數(shù)的選取由綜合因素所確定，以淮南新集三礦為地質(zhì)原型并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)所提供的巖體力學(xué)參數(shù)取值，確定了相關(guān)力學(xué)參數(shù)（見表1）。由于研究地表沉陷，模型采用頂面為自由邊界，前后左右以及底面為位移約束邊界。2.4開采方案模型采用走向長壁，單翼開采，由于研究目的在于開采完13-1和11-2煤層后，地表的移動規(guī)律，因此簡化開釆過程。先開
6、挖13-1煤，然后開采11-2煤，模型的煤層開采深度在垂直方向上為140m,沿煤層走向（y軸）分布開挖，一次開挖100m（見圖2）。圖2模擬開采圖（單位：m）3結(jié)果分析通過flac3D開挖計算模擬求解，待煤層采完之后，沿煤層傾斜方向做位于y=350m處的剖面，得其傾斜剖面的下沉和水平移動數(shù)據(jù)，導(dǎo)入excel里進行計算，得到地表移動變形數(shù)據(jù)（見圖3?圖7）。由圖3和圖6可以看出，急傾斜煤層開采呈現(xiàn)出地表下沉的非對稱性，13煤在上山方向頂板位于555m,在下山方向頂板位于685m,傾斜剖面地表的最大下沉值位于距
7、13煤上山方向頂板95m（即640m）處，最大下沉值為2329mm,向采空區(qū)偏移，下山方向的影響范圍要大于上山方向的影響范圍；煤層傾斜變形曲線的非對稱性也十分明顯（見圖4）,曲線以640m為零界點，上山一側(cè)的傾斜變形以及最大值均大于下山一側(cè)；曲率有一個正曲率區(qū)和兩個負(fù)曲率區(qū)，兩個負(fù)曲率區(qū)分布在采空區(qū)兩側(cè)，上山方向的負(fù)曲率區(qū)要大于下山方向負(fù)曲率區(qū)，而兩個負(fù)曲率區(qū)的影響范圍均大于正曲率區(qū)（見圖5），但正曲率區(qū)最大值則大于負(fù)曲率區(qū)，正曲率區(qū)的最大值位于640m處；地表水平移動的曲線的非對稱性也很明顯直觀，下山方向
8、一側(cè)的水平移動最大值要明顯大于上山方向（見圖6）；從傾斜剖面下沉盆地的特點來看，由于沖積層存在，地表影響范圍稍大；地表下沉拐點位于傾斜剖面開采范圍之外，上山方向拐點位于底板方向的50?70m，下山方向拐點位于頂板方向的60?90叫拐點附近地表下沉斜率變化劇烈；傾向上地表裂縫位于采區(qū)兩側(cè)邊界附近，從下沉拐點開始向邊界方向的120?130m范圍內(nèi)；在采區(qū)傾斜剖面上，地表的受拉區(qū)主要分布于傾斜剖面的兩側(cè)（見圖7）,傾斜
