开采覆岩运动特征及动力响应的数值模拟研究.pdf

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1、Vo1．21，No．8第21卷第8期中国矿业CHINAMININGMAGAZINEAug．20122012年8月开采覆岩运动特征及动力响应的数值模拟研究赵亚军，张继高(河北工程大学，河北邯郸056038)一～一一一～一一～一～～脚一摘要：以地质单元勘查研究报告为背景，应用计算机对某煤矿厚岩浆岩下煤层开采时覆岩移动规律及其动力响应进行了数值模拟分析，得到：①由于岩浆岩这种特殊岩层的存在，使采空区上覆岩层的运动规律发生变异；②岩浆岩存在时，岩体内的应力、变形及位移的变化趋势，揭示了工作面开拓过程中岩体内应力的重新分布过程、工作面支

2、承压力和支架阻力的变异性。一．～～一一出一．～蓥一～一一～～Hm2小帅关键词：厚岩浆岩；数值模拟；支承压力；离散单元法；覆岩移动中图分类号：TD325文献标识码：A文章编号：1004—4051(2012)08—0101一O3．Miningoverburdenmovementcharacteristicsanddy一nam一ic～re一spo．一ns讯一e盯一numericalsimulationstudyZHAOYa-jun，ZHANGJi—gao(HebeiUniversityofEngineering，Handan0560

3、38，China)～一一～一～一～一一兰一煤炭开采所引起的采动，在采场中会产生矿压安全生产，必须搞清楚巨厚岩浆岩下部开采时覆岩显现。地表移动是煤层开采后覆岩移动由下往上逐的运移规律及其动力响应。步发展到地表的结果。覆岩岩性与组合对地表沉陷的动态过程与沉陷盆地特征有显著影响。山西某煤弯曲下沉带矿在井田西南部大部分区域开采煤层上覆地层中，岩浆岩含有一层厚岩浆岩，该岩浆岩层致密坚硬，整体性___：j■_=——。【，=一jj■j：好。当在小范围非充分采动时，厚岩层依靠自身强_jj1：：：三三壬jjjji一i皇：：亏：{t毒：：：；：：

4、fi蔓：：三：：。：。。：一h：一：：。。裂隙带度和刚度可以形成自撑结构。煤层开采后由下至上：苫{毒÷jj。。：：：：～一f．：：r7、一一I＼一：一：。。：：冒落带形成的冒落带和裂隙带发展到该巨厚岩浆岩后被阻蠢煤层隔，从而使上部岩层的弯曲变形非常小，致使“三带”l<／>■'<发生变异(图1)。随着开采范围的增加，厚岩浆岩图1开采覆岩“三带”发生变异示意图层内的应力逐渐积累，离层空间加大，当开采引起的弯曲应力达到和超过岩浆岩层自身强度极限时，或1有限元模拟计算岩体内的断裂结构引导，巨厚岩体产生突发性断裂1．1有限元计算模型和大

5、面积垮落，有可能引发地质灾害。为保证矿井计算模型计算范围横向为3100m，纵向900m，如图2所示。其范围内的地层经过多年的工程地质收稿日期：2012-04—22钻探和野外现场测绘，断层分布和优势节理分布以1O2中国矿业第21卷及碎裂结构岩体的不连续面等都基本清楚，有室内室内大三轴试验，取得了较为准确的弱层强度、岩块土浆砂流变剪切试验、现场大块体试验原位直剪试验以及强度及节理岩体强度。一岩一岩岩一”粘岩细32粉钾勰图2有限元计算模型示意图模型块体的本构关系采用莫尔一库仑准则，节理选用足够大的刚度系数才能保证计算结果的准确和面的

6、本构模型选用面接触的库仑滑移模型。模拟开稳定性。计算时节理参数如表2。采深度一730m，距边界5lOm处设置开切眼，模拟表2计算时节理参数表开挖长度为2lOOm，开挖推进步距为1lOm，煤层假法向刚度切向刚度摩擦角粘结力抗拉强度节．．理号．．设为水平煤层，厚度为1lm，采用一次采全高方案。jKn／MPajKs／MPaq~／degC／MPat／}MPa煤层直接顶为56m砂岩，其上分别为粉砂岩37m、粘土岩16053240．310．002泥岩36m、砾岩42m、细砂岩264m，距煤层顶板岩浆岩4620017400366．3O．82

7、428m处是117m厚的岩浆岩，岩浆岩上为194m表细砂岩54502240291．30．14砾岩29401860211．30．2土层。砂岩73603030311．40．121．2计算参数的选取粉砂岩51403460261．20．13岩体的力学参数见表1。煤410152291．10．4表1岩体的力学参数泥岩24301060270．50．03岩石容重／弹性模量／泊抗拉强度／粘结力／摩擦角／泊耕1．3计算结果分析名称(kg／ma)MPaMPaMPadeg由于岩浆岩这种特殊岩层的存在，使采空区上覆岩层的运动规律发生变异，所以选取岩浆岩

8、层作为主要研究对象，对其进行模拟分析，得到结果如下。1．3．1位移场变化特征模型从开切眼开始推进，分别在不同标高设置监测线，监测竖向位移。一720监测线下沉曲线如图3所示。计算参数对离散元非线性模拟结果的准确性至1．3．2位移矢量场变化特征关重要。刚度系数两个块体接触，当弹性