山体赋存煤层原岩应力分布规律.pdf

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1、14能源技术与管理2010年第6期doi：10．3969／j．issn．1672-99432010．06．006山体赋存煤层原岩应力分布规律董洪生(中矿国际工程设计研究院有限公司徐州分公司，江苏徐州221006)[摘要]根据我国西南高山地区煤层赋存的具体情况，研究建立了山体赋存煤层原岩应力分布情况的UDEC数学模型，并通过对该数学模型的数据进行具体分析和计算，最终得出了山体赋存煤层原岩应力分布的基本规律，用以指导解决开采山体赋存煤层矿井设计及生产中遇到的问题，尽量减小或避免原岩应力对煤层开采的影响。[关键词]西南地区；山体；煤层；原岩应力；UDE

2、C[中图分类号]P624[文献标识码]B[文章编号]1672-9943(2010)060143P．os0引言p(x)／我国西南地区煤炭资源储量丰富，由于受山f『『唧1Ifa．sb一一X体起伏的影响，大部分煤层埋藏深度变化大，煤层Nl上覆岩层的厚度有很大的差异，煤层原岩应力对—一煤层的开采造成很大的影响。通过建立山体煤层1『7原岩应力数学模型，对原岩应力进行分析和计算，(c)A点上部岩体作用力图找出其规律，以指导矿井井下采、掘巷道的布置，图1山体内原岩自重应力等效计算图减少其对巷道影响。1_2构造应力1山体原岩应力构造应力是由于地壳构造运动在岩体中

3、引起的应力。由于构造应力极为复杂，山脉一旦形成，原岩应力是天然存在于岩体内而与人类活动其构造应力就基本确定，处于山体的向斜、背斜、无关的应力，包括自重应力、构造应力、地热应力、褶曲、断层等不同部位，构造应力是不同的。在山膨胀应力等，其中自重应力和构造应力是原岩应体的边缘地质构造应力已经得到充分释放。力场的主要组成部分。1．1山体深部岩体的自重应力2山体原岩应力的数值模拟根据山体的地表形态，假定山体中存在某一本节将采用数值模拟的方法，以贵州铜龙煤标高的水平面把山体分为上下两个部分，平面之矿实际地质条件为依据，建立弹塑性模型来模拟下岩层中的岩体为均匀

4、连续介质半无限平面体，山体的原岩应力分布，分析山体边缘的原岩应力应用连续介质力学原理计算岩体自重应力，平面分布规律。之上的岩体作为外加载荷对平面之下的岩体产生2_1模拟软件简介作用力。如图1(a)所示，虚线为假想水平面，则点UDEC是一种基于非连续体模拟离散单元法A的应力为图1(b)和图1(c)应力的叠加。A点上的二维数值计算程序，主要模拟静载或动载条件部岩体的作用力等效于变载荷函数p(X)。下非连续介质的力学行为特征，是通过离散块体的组合来反映非连续介质的，节理被当作块体间的边界条件来处理，允许块体沿节理面运动及回转。单个块体可以表现为刚体也可

5、以表现为可变形体。可变形块体再被细化为有限差分元素网格，每个元素的力学特性遵循规定的线性或非线性应力一应变规律，节理的相对运动遵循法向或切向(a)A点位置图(b)A点应力图2010年第6期董洪生山体赋存煤层原岩应力分布规律1522l的线性或非线性力一位移运动关系。对于不连续表2山∞体模∞型接∞触面力学O参数的节理以及完整的块体，UDEC都有丰富的材料特性模型，从而允许模拟不连续的地质或相近材料的力学行为特征。UDEC是一种基于能够很好模拟块体系统大变形的拉格朗日算法程序。2_2计算模型的建立根据煤矿地表地形图，在矿井采区作一剖面图，按剖面图岩层岩

6、性建立平面应变状态计算模2．2．4边界条件的确定型。主要模拟最大埋深小于250m，相对高差在在选定计算模型范围的基础上，确定计算模100m左右的山体边缘及孤立山峰的应力分布。型的边界条件为：上部边界条件为自由边界，不加2．2．1模型尺寸的确定载荷；下部边界条件为模型的下部边界，为岩体，模型选取煤层的倾向为轴，沿铅垂向上方简化为位移边界条件，在方向上可以运动，y向为l，轴。轴方向上的总长度为500m，Y轴方方向上为铰支座；两侧边界条件均为实体煤和岩向上的总厚度为250m，岩层按贵州铜龙煤矿平体，简化为位移边界条件，在y方向上可以运动，均倾角7。设置

7、。以M5煤层为主要研究对象，下部方向上为铰支座。距模拟边界为0～61．3m，煤层厚2．5m，上至地表，厚度随山体地形起伏变化，如图2所示。3数值模拟结果分析3．1山体垂直应力场的分布特征图3、4分别为山体垂直应力分布和局部山峰的垂直应力分布图。蹬图2山体赋存煤层原岩应力数值计算模型2．2．2块体的划分模型模拟分析对象为山体的应力分布情况，模拟的范围比较大，根据岩层的层理厚度、岩性确定模型的块度(宽度×长度，下同)为0．4m×0．5m，伪顶为0．64m×0．5m，直接顶为2．5mx2m，直接IL1体倾向／H底为3．13mX5m，其它各层块按层厚和岩

8、石强度图3山体垂直应力的分布划分为10～50m的块体，各岩层理按层面方向和平行左边界方向划分。2．2．3力学参数的选取材料模型为莫尔一库