张双楼煤矿底板采动效应应力解析和数值模拟对比探究

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1、张双楼煤矿底板采动效应应力解析和数值模拟对比探究　　摘要：为了评价张双楼煤矿9煤的底板突水，根据-350m和-500m两个水平的工作面的煤层底板地质特征，运用快速拉格朗日法对底板的采动效应进行了数值模拟，分析了采动过程中底板岩体应力场、塑性区的分布，通过建立采场底板破坏深度应力解析模型求得底板破坏深度值，认为底板破坏深度值介于两种方法得出值之间更为合理，研究结果为底板水害防治提供了理论依据。Abstract：ToevaluateZhangshuanglouCoalMinefloor9coalofbackplaneburstingwater，accordingtot

2、hegeologicalfeaturesofseamfloorat-350mand-500mlevelworkingfaces，thenumericalsimulationwasmadebyusingfastLagrangelawonbackplaneofminingmovingeffect，thestressfieldandplasticdistrictdistributionofbackplanerockbodyinminingmovingprocesswereanalyzed.Throughestablishingminingfieldbackplaneda

3、magedepthstressresolvesmodel，backplanedamagedepthvaluewasgot.Andthebackplanedamagedepthvaluebetweentwospeciesmethodsismorereasonable.6Researchresultsprovidedatheoreticalbasisforfloorwaterhazardcontrol.关键词：煤层底板；采动效应；破坏深度；应力解析；数值模拟Keywords：seamfloor；miningeffects；damagedepth；analysisofs

4、tress；numericalsimulation中图分类号：TD323文献标识码：A文章编号：1006-4311（2013）20-0102-02.0引言我国是世界上矿井水文地质条件最复杂的国家，也是矿井水害发生最多，突水量最大，危害最为严重的国家，因此，进行矿井水害防治是煤矿安全高效生产的基础。煤层开采后，底板岩层的原始应力平衡状态遭到破坏，使得底板岩层丧失了隔水能力。本文以徐州煤田张双楼煤矿选取典型综采工作面进行采动底板变形破坏的应力解析计算与数值模拟，研究采动底板的变形破坏规律，为徐州煤田下组煤煤层向深部安全开采提供参考依据。1张双楼矿区地质及开采条件张双楼

5、煤矿位于徐州市西北，距徐州市约79km，在江苏沛县安国镇境内，面积约37.8623km2。煤系地层为石炭、二叠系，均为第四系或侏罗～白垩系所覆盖。1.19煤顶底板条件69煤直接顶板多为灰～灰白色细-中粗粒砂岩，约占65%，厚度0.95～46.94m，平均17.12m；其次为深灰色砂质泥岩，约占17%，厚度0.90～22.02m，平均6.86m；其余为深灰色泥岩。9煤顶板砂岩抗压强度58.80～151.70MPa，平均104.08MPa，单向抗拉强度2.17～6.23MPa，平均4.96MPa。1.2水文地质条件张双楼地区基岩含水层，包括煤系地层含水层和奥陶系灰岩含

6、水层均有隐伏露头，即为第四系地层直接覆盖。虽然各含水层水是来自大气降水入渗，且第四系第Ⅲ段砂层含水量较大，但第四系下部有一层厚达72m的粘土隔水层段，底砾层多为砂泥质充填，含水性小，故其顶部可视为弱水边界。1.3开采条件矿井采用立井上下山开拓方式，主、副井筒布置在第六勘探线，落底标高分别为-591.4m和-528.5m，分-500、-750、-1000m及-1200m四个生产水平，东翼回风巷水平-260m，西翼回风巷水平为-290m。2底板采动应力解析计算假设工作面开采后，在岩体垂直剖面上形成一个矩形空间。由于煤层开采厚度比开采长度小的多，所以可将采场假设成图1所

7、示的力学模型，其中开采长度为Lx=2a，在远处受垂直应力σ=γH及侧向应力λσ的作用。6采用Westergard应力函数，可以解析采场端部应力分布。Westergard应力函数研究的是无限宽薄板中长度为2a的尖锐裂纹，应力必趋于远处应力场的应力值。计算结果为：σ■=■■cos■1-sin■sin■-（1-λ）γHσ■=■■cos■1+sin■sin■τ■=■■cos■sin■cos■（1）上式表明，采场开采长度增加，工作面周围岩体内的应力集中程度也相应增加。结合弹性理论主应力的求解公式为：σ■，σ■=■±■（2）将（1）式代入（2）式，在平面应力状态下，σ3=0，

8、据此可得到