急倾斜煤层深部开采的相似模拟试验和数值分析

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1、万方数据2001年8月矿业安全与环保第28卷第4期急倾斜煤层深部开采的相似模拟试验和数值分析代高飞1，郭胜均2，尹光志1，阎河1，胡大江1(1重庆大学建筑工程学院，重庆400044；2煤炭科学研究总院重庆分院，重庆400037)摘要：运用实验室相似模拟试验和FI．AC程序，对南桐矿务局东林煤矿的二一区4。和6。层煤的开采进行了研究，得到了二一区开采的岩移基本规律和地表移动与变形特征，绘出了二一区垂直剖面的位移场、应力场和速度场，对现场开采具有一定的指导作用。关键词：急倾斜煤层；FLAC程序；地表移动

2、：位移场；应力场中图分类号：TD315+．3文献标识码：A文章编号：1008—4495(2001)04—0017—03引言随着南桐矿区的采掘活动逐渐由浅部向深部转移，深部开采的岩体移动基本规律和地表移动与变形特征已与浅部有很大的区别。浅部开采认识的规律已难于用来正确指导深部开采的“=下”采煤工作，对煤矿的深部开采进行研究，以期掌握南桐矿区深部开采岩体移动基本规律和地表移动与变形特征，用于正确指导采掘活动。2矿区概况南桐矿区地处四川盆地与云贵高原的交界地带，位于重庆市的南部；有川黔铁路、JI『湘公路经

3、过，平均海拔高度400m左右；区内地表特征以丘陵为主。南桐矿区主要产煤地层为上三叠系须家河组和上二叠系龙潭组，龙潭组的4。、5’、6。煤层为南桐矿区的主采煤层，5。煤层比较薄，4’和6。煤层较厚。区内地质构造较多，节理、裂隙发育，断层多。东林煤矿位于褶皱的背斜部位，并有几条断层通过背斜核部。东林煤矿二一区主采煤层为4。和6。两层煤。煤层倾角为70。左右，平均采深为500m。采用走向长壁伪斜柔性掩护支架采煤法，风镐落煤。三班采煤，班内准备。采用全部垮落法管理采空I)(。3相似模型试验根据南桐矿务局东林

4、煤矿二一区

5、司一开采地质条件，运用相似理论进行了急倾斜煤层的岩体移动和开采沉陷的相似模型试验研究，试验选取模型的几何比为1：400。试验选取“河砂为骨料，石膏和石收稿日期：2000—0831作者简介：代高飞(1q74一)，晕，增士，现从事矿山压力和岩体移动研究工作。灰为胶结物的石膏混合物为相似材料。相似材料的容重比(C、)为C、=7HI／7Mi=yH2／yM2⋯‘⋯=1．667(1)式中7—材料容重。式中原型用下标H表示，模型用下标M表示，r标数字表示岩层编号。根据相似关系可求得模型的边界应力比(o

6、)和强度比(Cs)为C。=Cs=凸C，=6667(2)式中C-——模型几何特性参数，400。受试验条件限制，以模型在重力作用下的运动学相似求取开挖模拟的时间比rG．)为C。=忆：20试验材料是根据模拟区域岩体的本构数据和相似比选取的，试验在规格(长X宽X高)为1，5mX0．3in×1．2m的转体平面应力模型酞验台上进行。相似模型试验地表移动和变形曲线见图1。相似模型试验地表下沉和水平移动动态曲线见图2、，相似模型试验研究表明：(1)由于东林煤矿二一眨煤层倾角达70。，煤层开采后，在重力沿倾斜方向分最

7、作用下，顶板岩层发生滑移破坏。采空区上覆岩层的“=带”即冒落带，裂隙带和弯曲下沉带并不f‘分明显。(2)从动态曲线町以看出，初移时盆地成近似对称分布状态，随着推进长度增大，非对称性越来越明显。东林煤矿下沉曲线向下山方向偏移，由于尔林煤矿煤层倾角较大，达到了70。，其移动盆地具有明显的非对称性，甚至有出现漏斗状塌陷的町能。当推进长度达到临界长度时，移动盆地的非对称性也趋向稳定。随后，下沉量逐渐减少而缓慢下沉。东林煤矿的动态最大下沉值为170l／lm，是总下沉量的85％。东林煤矿的最大倾斜值和最大曲率值

8、分别为0．2mill／m和0．6inm／m，最大值出现在】1’到16’测点万方数据2001耳8月矿业安全与环保第28卷第4期斜丰曲率求平棒动量水平变图1相似模型试验地表移动和变形曲线测试点号图2相似模型试验地表下沉和水平移动动态曲线和21‘到26‘测点两个区域内。东林煤矿水平移动最大值为200mm，是水平移动总量的77％，最大值点位于25’测点附近。东林煤矿水平变形最大值为0．618-mm／m，最大值点位于16’和24’测点附近．(3)从图I和图2日T以看出，随着开采的进行，各种曲线的规律性逐渐显现

9、，且水平移动和变形曲线的规律性比下沉和变形曲线的规律性要强。从网中可以看出移动盆地的范围及变形值的大小和分布情况。东林煤矿(d=70。)，下山方向的影响范同从1。测点到25’测点，上山方向的影响范围从25。测点到30’测点，下山方向的影响范围远大于上山方向的影响范围。由于东林煤矿开采厚度小，开采深度大，煤层倾角大，顶底板岩石属中硬岩层，急倾斜煤层开采不出现充分采动情况，最大下沉值随回采阶段垂高的增加而增大。东林煤矿煤层开采后地表未发现塌陷坑。(4)地表移动过程根据最大