急倾斜煤层深部开采岩层移动数值模拟研究.pdf

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1、第2期矿山测量NO．22011年4月MINESURVEYINGADr．20lldoi：10．3969／j．issn．1001—358X．2011．02．010急倾斜煤层深部开采岩层移动数值模拟研究田秀国，戴华阳(I．开滦(集团)有限责任公司，河北唐山063000；2．中国矿业大学(北京)，北京100083)摘要：岩层移动规律随地质采矿条件的不同而存在较大差别。采用离散元数值模拟方法，结合唐山马家沟矿具体条件，研究了急倾斜煤层深部开采岩层移动规律与机理。研究表明：急倾斜煤层深部开采岩层移动垮落带发育到一定高度终止，其上位岩层以法向弯曲移动为主；采空区上方形成铰接岩梁结

2、构，顶板岩层呈双端固支的梁弯曲，从而减缓了地表的变形。研究结论对于深部“三下”开采具有指导意义。关键词：急倾斜；岩层移动；数值模拟；机理中图分类号：TD325．4文献标识码；B文章编号：1001—358X(2011)O2—0028—05急倾斜煤层开采后地表移动规律较复杂，存在采用离散元软件2D—Block沿倾斜主剖面建多种不同的沉陷模式，既有连续变形，也有非连续变立二维数值模型。图1为马家沟矿西翼11号剖面形和突然塌陷I3，这也是对急倾斜开采沉陷认识图简化后建立的数值模拟设计图。计算采用平面应的困难所在。变模型，模型两侧及底边施加固支撑约束。研究岩层内部移动规律和机

3、理是解释地表移动岩石力学研究表明，岩体力学行为除与本身物规律及预测其发展的有效途径。。本文采用数值理力学性质有关外，还与载荷状态和加载历史有直模拟方法，结合唐山马家沟矿急倾斜煤层开采具体接关系。顾及开采过程中围岩应力环境变化导致的条件，研究了急倾斜煤层深部开采岩层移动的规律地表移动变形，需先对九水平以上(标高一30一与机理。一600m)急倾斜煤层进行前期模拟，然后模拟开采九水平(标高一600～一700121)，最后进行深部2个1急倾斜煤层深部开采数值模型水平的开采，即十水平(标高一700～一800m)和十急倾斜煤层在形成过程中通常遭受过比较剧烈一水平(标高一800～

4、一900rn)。模型采用下行开的地质构造运动，岩体原生裂隙比较发育，急倾斜煤采，先采9—2煤层，再采12煤层，开采标高一30～层的开采会进一步促进岩体裂隙的发育和扩展，急一900m，累计垂高870m。倾斜开采岩体可看做一种离散介质，其内部存在大1．2参数选取位移、旋转和滑动乃至块体的分离。因此，离散元较本次模拟计算的力学参数参照马家沟矿岩石物适合用来模拟急倾斜煤层开采引起的岩块滑动、转理力学试验结果。法向刚度系数、切向刚度系数分动和变形等岩层移动。别由下式求得：1．1计算模型=(Ea)／(2b)(1)本文以唐山马家沟矿十水平西翼急倾斜煤层地k=k．／[2(1+)](

5、2)质采矿条件为原型。由于该矿开采时问长，目前九式中：a、b分别为离散单元块体的长度和宽度；水平以上已采完，现正开采九、十水平(标高一600～E、1．1分别为岩层的弹性模量和泊松比。一800m)，矿井已进入深部开采。主采两层煤：9—2离散单元块体的划分，以实际岩层的层理、节煤层，煤厚3．2～4．8m，平均4．0m，煤层倾角56。；理和断层的发育及分布情况为准，兼顾岩层的力l2煤层，煤厚5．4～6．6m，平均6．0m，煤层倾角学性质，有如下几个原则：①以天然岩体的层理作56。。第四系松散层平均厚约30m。基岩以砂岩为为分层划分块体的标准；②对于松散破碎的岩体，主，整体

6、为中硬岩性。块体的尺寸应小些，反之，块体的尺寸应大些；③国家有然科学基金资助项目(50974122)。在垮落带和裂隙带内，块体的尺寸应小些；而在弯28箜塑一田秀国等：急倾斜煤层深部开采岩层移动数值模拟研究姑下沉带，块体的尺寸应大些。假定块体为不变建立的马家沟矿急斜煤层开采离散元数值计算模形的，各岩层岩性参数及块体划分如表1所示。型如图2所示。图1数值计算设计图图2马家沟矿急倾斜煤层开采离散元数值计算模型表1计算模型岩性参数及块体划分2急倾斜煤开采地表移动分析．增大；煤层露头处地表下沉增加量减缓，趋于稳定。3急倾斜煤层开采岩层移动规律分析图3为数值模拟急倾斜煤层开采地

7、表下沉曲线图，从地表沉陷的空间分布和发展过程可以看出急图4为数值模拟急倾斜煤层开采过程中岩层竖倾斜煤层深部开采地表沉陷呈现如下规律：直位移(即下沉)等值线图。由图4可知，上位岩层(1)地表下沉中心向顶板侧偏移；随阶段垂高的整体移动性越来越强，在岩层倾向上，岩层移动量以增加在顶板侧沉陷影响范围逐渐扩大。采空区中部向两侧不对称性递减，上山方向岩层移(2)随阶段垂高的增加地表最大下沉值未显著动递减程度小，下山方向递减程度大，采空区上侧煤29第2期矿山测量2011年4月图3数值模拟急倾斜煤层开采过程中地表下沉曲线(a)前期开采(b)九水平开采(c)十水平开采(d)十一水