急倾斜煤层开采地表移动规律数值模拟探究.doc

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1、急倾斜煤层开采地表移动规律数值模拟探究摘要：为了研究急倾斜煤层开采下地表沉陷的移动规律，运用求解非线性大变形问题有限差分法(FLAC3D)对急倾斜煤层开采下进行数值模拟，重点分析了岩体移动引起的地表变形。结果表明：急倾斜煤层开采下地表在走向呈对称性下沉盆地，而在倾向上呈非对称性的兜瓢形下沉盆地，地表的变形主要集中在煤层顶板方向一侧，以及最大下沉点和水平移动向煤层的上山方向偏移。关键词：急倾斜煤层；地表沉陷；数值模拟中图分类号：TD823文献标识码：A文章编号:1672-1098(2012)03-0071-0

2、4因采矿引起的岩层移动波及到地表，使地表产生移动、变形、破坏的现象以及过程称为地表移动。开采引起的地表移动过程受多种地质因素和开采因素影响，随着采深、采厚、采煤方法以及煤层产状等因素的不同，地表沉陷的大小也完全不同。煤系地层倾角是决定上覆岩层的移动和破坏形式及地表移动与变形程度的重要因素之一。当前我国“三下”采煤一直是国内外煤炭行业的重要研究课题，煤矿开采引起的地表沉陷问题一直以来都是矿山研究的热点问题。但是概率积分法只适用于缓倾斜煤层，由于急倾斜煤层地质条件及破坏机理和水平煤层开采时有本质的不同，所以对于

3、急倾斜多煤层开采引起地表移动的许多现象还没有得到满意的解释，对于急倾斜煤层预计偏差较大。为此迫切需要对这类矿山的地表移动规律问题进行全面研究。本文用建立在拉格朗日算法基础上的FLAC3D有限元分析软件，对因煤层开采引起的地表沉陷规律进行了数值模拟研究，对急倾斜多煤层开采造成的地表沉陷变形进行预测分析和探讨，为工程实践提供理论依据。1地质背景新集三矿位于凤台县境内，处于淮南煤田中段南部的边缘。淮南新集三矿西三采区新生界地层由第四系和第三系组成，厚度为143〜167m,属于厚冲积层。煤层倾角平均为60°。淮南新

4、集三矿西三采区主要可采煤层有2层，分别为13-1和11-2,煤层间距平均55m。由于井田特殊的区域构造位置，煤系地层呈不对称倾伏倒转褶曲形态，地层走向东西。采煤方法目前主要采用伪倾斜柔性掩护支架采煤法。采用全部垮落法管理顶板。2急倾斜多煤层开采数值模拟2.1模型的建立根据模型设计的原则，结合新集三矿地质条件，模型的长宽髙分别为1200m,700m,400in（见图1）。2.2本构关系的确立岩石力学弹塑性数值分析中，物理模型的选择具有较大的灵活性，不同类型的岩体应当采用不同类型的、最适宜的模型。模型是否正确，

5、是否符合岩石的基本特性，直接影响到计算结果是否有价值。本文主要研究地表沉陷变形移动规律，各模型在开采前处于原岩应力状态，采用理想的弹塑性模型，破坏准则选用mohr-coulomb准则。力学参数的选取由综合因素所确定，以淮南新集三矿为地质原型并结合相关文献所提供的岩体力学参数取值，确定了相关力学参数（见表1）。由于研究地表沉陷，模型采用顶面为自由边界，前后左右以及底面为位移约束边界。2.4开采方案模型采用走向长壁，单翼开采，由于研究目的在于开采完13-1和11-2煤层后，地表的移动规律，因此简化开釆过程。先开

6、挖13-1煤，然后开采11-2煤，模型的煤层开采深度在垂直方向上为140m,沿煤层走向（y轴）分布开挖，一次开挖100m（见图2）。图2模拟开采图（单位：m）3结果分析通过flac3D开挖计算模拟求解，待煤层采完之后，沿煤层倾斜方向做位于y=350m处的剖面，得其倾斜剖面的下沉和水平移动数据，导入excel里进行计算，得到地表移动变形数据（见图3〜图7）。由图3和图6可以看出，急倾斜煤层开采呈现出地表下沉的非对称性，13煤在上山方向顶板位于555m,在下山方向顶板位于685m,倾斜剖面地表的最大下沉值位于距

7、13煤上山方向顶板95m（即640m）处，最大下沉值为2329mm,向采空区偏移，下山方向的影响范围要大于上山方向的影响范围；煤层倾斜变形曲线的非对称性也十分明显（见图4）,曲线以640m为零界点，上山一侧的倾斜变形以及最大值均大于下山一侧；曲率有一个正曲率区和两个负曲率区，两个负曲率区分布在采空区两侧，上山方向的负曲率区要大于下山方向负曲率区，而两个负曲率区的影响范围均大于正曲率区（见图5），但正曲率区最大值则大于负曲率区，正曲率区的最大值位于640m处；地表水平移动的曲线的非对称性也很明显直观，下山方向

8、一侧的水平移动最大值要明显大于上山方向（见图6）；从倾斜剖面下沉盆地的特点来看，由于冲积层存在，地表影响范围稍大；地表下沉拐点位于倾斜剖面开采范围之外，上山方向拐点位于底板方向的50〜70m，下山方向拐点位于顶板方向的60〜90叫拐点附近地表下沉斜率变化剧烈；倾向上地表裂缝位于采区两侧边界附近，从下沉拐点开始向边界方向的120〜130m范围内；在采区倾斜剖面上，地表的受拉区主要分布于倾斜剖面的两侧（见图7）,倾斜