李村煤矿开采沉陷规律数值模拟研究
侯利斌,翟英达,韩
伟
(太原理工大学矿业工程学院,太原030024)
摘
要:运用FLAC 3D
软件对李村矿8301工作面推进对地表移动和变形进行数值模拟研究,从地表沉降量、倾斜变形量、水平移动量、水平变形量这4个方面进行了观测和分析,得出了李村矿开
采地表沉陷的基本规律,为治理该地区地表沉陷提供了理论依据。
关键词:开采沉陷;FLAC 3D
;数值模拟中图分类号:TD327
文献标志码:A
文章编号:1003-496X (2013)04-0058-04
Numerical Simulation Study on Mining Subsidence Laws in Licun Mine
HOU Li -bin ,ZHAI Ying -da ,HAN Wei
(School of Mining Engineering ,Taiyuan University of Technology ,Taiyuan 030024,China )
Abstract :Ground movement and deformation caused by mining work of 8301working face in Licun Mine is simulated by using software FLAC 3D .With the observation and analysis of surface subsidence ,tilt deformation ,the horizontal movement and the horizontal deforma-tion four aspects ,basic laws of ground subsidence caused by coal mining is obtained ,which provides a theoretical basis for controlling surface subsidence.
Key words :mining subsidence ;FLAC 3D ;numerical simulation
基金项目:国家科技支撑计划资助项目(2009BAB48B03)
近年来我国学者对于开采沉陷的研究诸多,提出了很多理论,其中开采沉陷的随机介质理论已为采矿界所接受
[1-2]
。概率积分法是最常用的开采沉
陷预计方法,但是存在计算参数确定不便的缺
点[3]
。以李村煤矿地质采矿条件为原型,利用FLAC 3D 数值模拟软件建立模型分析研究该矿开采沉陷规律。1
地质条件
李村煤矿主采8#
煤层,煤层倾角6? 10?,煤层
厚度1.4 1.6m ,
平均1.5m ,平均采深210m 。煤层赋存稳定,煤层直接顶为黑色泥岩,厚度2.0m ;
老顶为中砂岩,厚10.0m 。直接底为黑色泥岩和砂质泥岩,分别厚6m 和4m ;老底为中细砂岩,厚度为9.0m 。区内地质条件简单,其中8301工作面位于三采区北翼,工作面长160m ,推进长度300m 。2数值模型建立2.1
数值模拟模型建立
数值模拟选用FLAC 3D
数值模拟软件,主要研究长壁工作面正常回采过程对地表移动变形规律的影
响
[4]
。为避免边界效应的影响,模型建立尽量大
些。为简化模型,将模型建成水平层状结构。模型
选取沿煤层走向为y 方向,长度取700m ;煤层倾向为x 方向,长度取500m ;铅垂方向为z 方向,高度为229m ,煤层位于地表下214m 处。模型共计46800个网格和51000个节点,模型的煤层厚1.5m ,工作
面沿煤层倾向布置,
即在模型中沿x 方向布置,布置区域为x 方向上170 330m ,沿煤层走向开挖。开
挖从模型y 方向200m 处开始,到模型y 方向500m 结束,每步开挖60m ,一共开挖5次。2.2模型各层力学参数选取
计算过程中,模型从下边界至地表建立有13层
煤岩层,
包括1层煤、2层细砂岩、2层中砂岩、5层泥岩、
2层砂质泥岩、1层表土。选用Hoek -Brown 强度准则进行模拟计算,它的计算公式为
[5]
:
σ1=σ3+σci (m b σ3/σci +s )
a
式中:σ1、σ3分别为岩体破坏时的最大和最小
主应力;σci 为岩石的单轴抗压强度;m b 是完整岩石岩性系数m i 的消减值;s 和a 是与岩体特性有关的材料常数。计算采用的煤岩物理力学参数见表1。2.3
测点布置
根据煤层开采时地表移动变形规律,在模型地表布置了走向和倾向2条观测线,如图1。
表1
煤岩物理力学参数
煤岩名称密度/(kg ·m -3)体积模量/MPa 剪切模量/MPa 抗压强度/MPa 内聚力/MPa 内摩擦角/(?)表土1800840.760.0114泥岩22003810166021.131.9832细砂岩26605280466072.866.8227泥岩24003560189047.514.1242细砂岩26805310428050.033.4232泥岩23803260150017.841.6531砂质泥岩24902600200034.882.1941中砂岩25605220327075.8313.3232黑色泥岩
23503160254029.213.2735煤14104102409.61.8129黑色泥岩26504390413044.013.5337砂质泥岩24301710139039.723.2735中砂岩
2550
4740
2840
46.11
4.23
27
图1布置测线
倾向测线在距开切眼150m 处沿煤层倾向即沿x 轴方向每隔10m 布置1个测点,一共布置51个测点;走向测线沿煤层走向即y 轴方向,在开采煤层上方的地表中线上每隔30m 布置1个测点,一共布置22个测点。3模拟结果及分析
3.1
倾向测线上的地表移动
倾向测线上的的地表移动情况如图2 图5。由图2可知,在倾向测线上的地表下沉量最大处出现在测线中点处,且随着测点远离测线中点,地表下沉量在逐渐减小。当煤层开挖60m 时,对距开切眼150m 处的地表下沉量基本没有影响。当煤层开挖到120m 时,地表最大下沉量增加到51mm ,此时随着煤层继续开挖,地表下沉量显著增加,下沉速度也在显著加快。当开挖到300m 时,地表最大下沉量已达812mm ,而下沉速度变缓。由图3可知,在距开切眼150m 处倾向测线上的地表倾斜变形量分2个区段,
左侧区段为正变形
图2
倾向测线上的地表下沉量
图3
倾向测线上的地表倾斜变形量
图4
倾向测线上的地表水平移动量
区段,右侧区段为负变形区段,在250m 处接近0。
倾斜变形量以最大下沉点为中心,呈对称分布。在正变形区段,从250m 处向左,地表倾斜变形量逐步增大,到煤柱边界处达到最大,随后逐步减小。从250m 处向右,地表倾斜变形量逐步减小,到煤柱边界处达到最小,随后逐步减大。随着煤层不断开挖,地表倾斜变形整体规律没有变化,只是最大倾斜变
图5倾向测线上的地表水平变形量
形量出现了不同程度的增加(负变形区段减小)。
由图4可知,地表水平移动量明显地分为2个区段,左侧区段为正水平移动区,右侧区段为负水平移动区,水平移动量在250m处接近为0。水平移动量以最大下沉点为中心,对称分布。在正水平移动区,在煤柱边界处水平变形量达到最大值,向两侧分别减小,向右侧到最大下沉点处达到零。在负水平移动区,在煤柱边界处水平变形量达到最小值,向两侧分别增大,向左侧到最大下沉点处达到0。随着工作面向前推进,地表水平移动量变化特点并不改变,只是最大水平移动量出现了不同程度的增加(负变形区段减小)。
由图5可知,倾向测线上的地表水平变形可分为3个区段,两侧各有1个正水平变形区段,中间是一个负水平变形区段,水平变形在测线中点处达到最小值。水平变形以最大下沉点为中心,向两侧对称分布。在两侧煤柱边界上方,地表水平变形逐渐趋近为0。在负水平变形区段,水平变形从两侧向中间逐渐变小,到测线中点处达到最小;在正水平变形区段,水平变形量从煤柱边界处上方向两侧逐渐增大,但增幅渐缓。水平变形拉伸为正,压缩为负。故在开采区域上方的地表主要受压,在采空区中线处压应力最大,而两侧地表则主要受拉。
3.2走向测线上的地表移动
走向测线上的地表移动情况如图6 图9。由图6可知,在走向测线上,最大下沉量出现在采空区中心上方。下沉盆地的范围和最大下沉量随煤层的开挖而增大,此时下沉盆地为非充分采动。当煤层开挖60m时,对地表下沉量影响很小。
当煤层开挖
图6
走向测线上的地表下沉量
图7
走向测线上的地表倾斜变形量
图8走向测线上的地表水平移动量
到120m时,地表最大下沉量增加到99mm,此时随着煤层的继续开挖,地表下沉量显著增加。当开挖到300m时,地表最大下沉量已达812mm。在最大下沉点两侧下沉量逐渐减小,在靠近地表平面的时
图9沿走向地表水平变形量
候,下沉量缓慢趋近于0。随着煤层的逐步开采,地表下沉速度先逐渐增大,当工作面推过一定距离后,下沉速度又逐渐减小。
由图7可知,沿走向地表倾斜变形量分2个区段,左侧区段为正变形区段,右侧区段为负变形区段。地表倾斜变形量零点和最大下沉点基本重合,随着工作面的推进,缓慢向停采线方向移动。在正变形区段,地表倾斜变形量零点向左,地表倾斜变形量逐步增大,到一定距离后达到最大,随后逐步减小。地表倾斜变形量零点向右,地表倾斜变形量逐步减小,到一定距离后达到最小,随后逐步减大。
由图8可知,走向测线上的地表水平移动量可以分为2个区段,在开切眼侧的正水平移动区和在停采线侧的负水平移动区。采空区上方的地表水平移动量零点和最大下沉点基本重合,随着工作面的推进,缓慢向停采线方向移动。煤层开挖60m时,对走向测线上的地表水平移动量影响很小。随着煤层的继续开挖,此处地表水平移动量逐渐发生了显著变化,地表最大水平移动量也在持续增加。
由图9可知,走向测线上的地表水平变形量的最值随着煤层开采,逐步增大。最小值点一直接近于采空区中央,然后随着采空区的扩大,逐步向停采线附近移动。地表水平变形量的最小值点往停采线方向,水平变形量逐步增大,变为0后水平变形量变为正值。水平变形拉伸为正,压缩为负。故在开采区域上的地表主要受压,在采空区上方地表压应力最大,而两侧地表则主要受拉。
4结论
1)李村煤矿8301工作面地表最大下沉量为812mm,下沉系数为0.54。工作面回采结束后,地表就会出现椭圆形的下沉盆地,地表下沉量最大点位于采空区中心上方地表。实测地表最大下沉量为836mm,说明模拟结果误差不大。
2)距开切眼一定距离处地表沉降量最大处位于采空区中心线处,并且在达到充分采动前,最大沉降量持续增加。倾斜变形和水平移动量都以最大下沉点为中心,对称分布。在煤柱边界附近倾斜变形量和水平移动量分别达到极值。水平变形在采空区中线附近达到最小值,在煤柱边界附近接近于0。
3)在达到充分采动前,沿走向的采空区中线上地表最大下沉量会随着煤层的回采持续增加,地表最大下沉量的位置逐步向停采线方向移动。地表倾斜变形量和水平移动量都分为正负2个区段,两区段交点即零点和最大下沉点基本重合。水平变形量的最值随着煤层开采,逐步增大,最值点由开切眼上方地表向停采线方向移动。
参考文献:
[1]郭广礼,王悦汉,马占国.煤矿开采沉陷有效控制的新途径[J].中国矿业大学学报,2004,33(2):150-153.[2]刘宝琛,张家生,廖国华.随机介质理论在矿业中的应用[M].长沙:湖南科技出版社,2004.
[3]郭文兵,邓喀中,邹友峰.概率积分法预计参数选取的神经网络模型[J].中国矿业大学学报,2004,33(3):
322-326.
[4]刘波,韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.
[5]HOEK E,BROWN E T.Underground excavations in rock [M].Hertford:Austin&Sons Ltd.1988.
作者简介:侯利斌(1987-),男,山西襄垣人,太原理工大学矿业工程学院在读硕士研究生。
(收稿日期;2012-07-18;责任编辑:梁绍权
)