急傾斜煤層深部開采巖層移動(dòng)數(shù)值模擬研究.pdf

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1、第2期礦山測量NO．22011年4月MINESURVEYINGADr．20lldoi：10．3969／j．issn．1001—358X．2011．02．010急傾斜煤層深部開采巖層移動(dòng)數(shù)值模擬研究田秀國，戴華陽(I．開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河北唐山063000；2．中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京100083)摘要：巖層移動(dòng)規(guī)律隨地質(zhì)采礦條件的不同而存在較大差別。采用離散元數(shù)值模擬方法，結(jié)合唐山馬家溝礦具體條件，研究了急傾斜煤層深部開采巖層移動(dòng)規(guī)律與機(jī)理。研究表明：急傾斜煤層深部開采巖層移動(dòng)垮落帶發(fā)育到一定高度終止，其上位巖層以法向彎曲移動(dòng)為主；采空區(qū)上方形成鉸接巖梁結(jié)

2、構(gòu)，頂板巖層呈雙端固支的梁彎曲，從而減緩了地表的變形。研究結(jié)論對于深部“三下”開采具有指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：急傾斜；巖層移動(dòng)；數(shù)值模擬；機(jī)理中圖分類號：TD325．4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼；B文章編號：1001—358X(2011)O2—0028—05急傾斜煤層開采后地表移動(dòng)規(guī)律較復(fù)雜，存在采用離散元軟件2D—Block沿傾斜主剖面建多種不同的沉陷模式，既有連續(xù)變形，也有非連續(xù)變立二維數(shù)值模型。圖1為馬家溝礦西翼11號剖面形和突然塌陷I3，這也是對急傾斜開采沉陷認(rèn)識(shí)圖簡化后建立的數(shù)值模擬設(shè)計(jì)圖。計(jì)算采用平面應(yīng)的困難所在。變模型，模型兩側(cè)及底邊施加固支撐約束。研究巖層內(nèi)部移動(dòng)規(guī)律和機(jī)

3、理是解釋地表移動(dòng)巖石力學(xué)研究表明，巖體力學(xué)行為除與本身物規(guī)律及預(yù)測其發(fā)展的有效途徑。。本文采用數(shù)值理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)外，還與載荷狀態(tài)和加載歷史有直模擬方法，結(jié)合唐山馬家溝礦急傾斜煤層開采具體接關(guān)系。顧及開采過程中圍巖應(yīng)力環(huán)境變化導(dǎo)致的條件，研究了急傾斜煤層深部開采巖層移動(dòng)的規(guī)律地表移動(dòng)變形，需先對九水平以上(標(biāo)高一30一與機(jī)理。一600m)急傾斜煤層進(jìn)行前期模擬，然后模擬開采九水平(標(biāo)高一600～一700121)，最后進(jìn)行深部2個(gè)1急傾斜煤層深部開采數(shù)值模型水平的開采，即十水平(標(biāo)高一700～一800m)和十急傾斜煤層在形成過程中通常遭受過比較劇烈一水平(標(biāo)高一800～

4、一900rn)。模型采用下行開的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，巖體原生裂隙比較發(fā)育，急傾斜煤采，先采9—2煤層，再采12煤層，開采標(biāo)高一30～層的開采會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)巖體裂隙的發(fā)育和擴(kuò)展，急一900m，累計(jì)垂高870m。傾斜開采巖體可看做一種離散介質(zhì)，其內(nèi)部存在大1．2參數(shù)選取位移、旋轉(zhuǎn)和滑動(dòng)乃至塊體的分離。因此，離散元較本次模擬計(jì)算的力學(xué)參數(shù)參照馬家溝礦巖石物適合用來模擬急傾斜煤層開采引起的巖塊滑動(dòng)、轉(zhuǎn)理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果。法向剛度系數(shù)、切向剛度系數(shù)分動(dòng)和變形等巖層移動(dòng)。別由下式求得：1．1計(jì)算模型=(Ea)／(2b)(1)本文以唐山馬家溝礦十水平西翼急傾斜煤層地k=k．／[2(1+)](

5、2)質(zhì)采礦條件為原型。由于該礦開采時(shí)問長，目前九式中：a、b分別為離散單元塊體的長度和寬度；水平以上已采完，現(xiàn)正開采九、十水平(標(biāo)高一600～E、1．1分別為巖層的彈性模量和泊松比。一800m)，礦井已進(jìn)入深部開采。主采兩層煤：9—2離散單元塊體的劃分，以實(shí)際巖層的層理、節(jié)煤層，煤厚3．2～4．8m，平均4．0m，煤層傾角56。；理和斷層的發(fā)育及分布情況為準(zhǔn)，兼顧巖層的力l2煤層，煤厚5．4～6．6m，平均6．0m，煤層傾角學(xué)性質(zhì)，有如下幾個(gè)原則：①以天然巖體的層理作56。。第四系松散層平均厚約30m?；鶐r以砂巖為為分層劃分塊體的標(biāo)準(zhǔn)；②對于松散破碎的巖體，主，整體

6、為中硬巖性。塊體的尺寸應(yīng)小些，反之，塊體的尺寸應(yīng)大些；③國家有然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50974122)。在垮落帶和裂隙帶內(nèi)，塊體的尺寸應(yīng)小些；而在彎28箜塑一田秀國等：急傾斜煤層深部開采巖層移動(dòng)數(shù)值模擬研究姑下沉帶，塊體的尺寸應(yīng)大些。假定塊體為不變建立的馬家溝礦急斜煤層開采離散元數(shù)值計(jì)算模形的，各巖層巖性參數(shù)及塊體劃分如表1所示。型如圖2所示。圖1數(shù)值計(jì)算設(shè)計(jì)圖圖2馬家溝礦急傾斜煤層開采離散元數(shù)值計(jì)算模型表1計(jì)算模型巖性參數(shù)及塊體劃分2急傾斜煤開采地表移動(dòng)分析．增大；煤層露頭處地表下沉增加量減緩，趨于穩(wěn)定。3急傾斜煤層開采巖層移動(dòng)規(guī)律分析圖3為數(shù)值模擬急傾斜煤層開采地

7、表下沉曲線圖，從地表沉陷的空間分布和發(fā)展過程可以看出急圖4為數(shù)值模擬急傾斜煤層開采過程中巖層豎傾斜煤層深部開采地表沉陷呈現(xiàn)如下規(guī)律：直位移(即下沉)等值線圖。由圖4可知，上位巖層(1)地表下沉中心向頂板側(cè)偏移；隨階段垂高的整體移動(dòng)性越來越強(qiáng)，在巖層傾向上，巖層移動(dòng)量以增加在頂板側(cè)沉陷影響范圍逐漸擴(kuò)大。采空區(qū)中部向兩側(cè)不對稱性遞減，上山方向巖層移(2)隨階段垂高的增加地表最大下沉值未顯著動(dòng)遞減程度小，下山方向遞減程度大，采空區(qū)上側(cè)煤29第2期礦山測量2011年4月圖3數(shù)值模擬急傾斜煤層開采過程中地表下沉曲線(a)前期開采(b)九水平開采(c)十水平開采(d)十一水