多煤层开采覆岩及地表移动变形数值模拟研究

作者:杨立新;张青 刊名:建井技术 上传者:蔡茜

【摘要】以潘三煤矿瓦斯电厂地质条件为工程背景,采用UDEC数值模拟软件,建立数值模型,模拟分析了13-1和11-2煤层开采引起的上覆岩层变形规律及瓦斯电厂保护范围内的地表移动变形规律,并验证了理论计算所确定的13-1和11-2煤层保护煤柱尺寸的合理性。

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1瓦斯电厂地质条件淮南矿业集团潘三煤矿瓦斯电厂地面标高+23m,沿煤层倾向和走向,其地表保护尺寸分别为374和210m。瓦斯电厂附近的13-1和11-2煤层,倾角分别为2.8和3.4,厚度分别为2.04和1.65m。2数值模型力学参数对于同一个问题,采用UDEC数值模拟软件,分别沿煤层走向、倾向,建立平面应变模型[1-2],其左右边界设置零位移边界条件,底部边界为固定铰支座,上部边界为冲积层自由面。混凝土井壁材料本构模型为弹性模型,冲积层、煤层及基岩材料本构模型为摩尔-库仑模型[3-5],材料本构模拟参数见表1。节理裂隙本构模型选用面接触的库仑滑移模型,接触面力学参数[6]见表2。3瓦斯电厂地表移动变形规律(1)沿煤层倾向沿煤层倾向建立瓦斯电厂模型,如图1所示。13-1、11-2煤层开采后,引起采空区上覆岩层及地表产生移动变形。在13-1煤层停采线正表1材料本构模拟参数项目密度/(tm-3)体积模量/GPa剪切模量/GPa内聚力/MPa内摩擦角/()抗拉强度/MPa冲积层2.02.81.00.8200基岩2.48.74.79.8422.513-1煤层1.43.01.41.6300.211-2煤层1.43.01.41.6300.2混凝土井壁2.613.57.7表2岩层及接触面力学参数项目法向刚度/GPa切向刚度/GPa内摩擦角/()煤层2.02.08基岩5.05.010冲积层0.70.46岩层接触面101045图1沿煤层倾向瓦斯电厂模型上方,地表垂直位移和水平位移分别为262和322mm;在11-2煤层停采线正上方,地表垂直位移、水平位移分别为272和314mm。随着保护煤柱尺寸的增大,地表垂直位移和水平位移均呈逐渐减小趋势。在瓦斯电厂地表保护范围左边界,即距离13-1煤层停采线501m处,地表垂直位移和水平位移分别为82和163mm;在瓦斯电厂地表保护范围右边界,即距离13-1煤层停采线875m处,地表垂直位移和水平位移分别为105和133mm,如图2、图3所示。图2瓦斯电厂附近地表垂直位移云图(2)沿煤层走向13-1、11-2煤层开采后,在13-1煤层停采线正上方,地表垂直位移、水平位移分别为358和453mm;在11-2煤层停采线正上方,地表垂直位移、水平位移分别为349和455mm。图3瓦斯电厂附近地表水平位移云图随着保护煤柱尺寸的增大,地表垂直位移和水平位移均呈逐渐减小趋势。在瓦斯电厂地表保护范围左边界,即距离13-1煤层停采线518m处,地表垂直位移和水平位移分别为41和95mm;在瓦斯电厂地表保护范围右边界,即距离13-1煤层停采线728m处,地表垂直位移和水平位移分别为43和100mm。4瓦斯电厂保护煤柱尺寸验证(1)沿煤层倾向受到13-1和11-2煤层的采动影响,13-1煤层(左侧)停采线处,在226m深处,地层下沉量达到最大,为990mm,地层下沉量极差为927mm;在48m深处,地层水平移动量达到最大,为673mm,地层水平移动量极差为1198mm,如图4所示。距离13-1煤层停采线100m处,在81m深处,地层下沉量达到最大,为699mm,地层下沉量极差为617mm;在64m深处,地层水平移动量达到最大,为587mm,地层水平移动量极差为941mm。距离13-1煤层停采线200m处,在97m深处,地层下沉量达到最大,为460mm,地层下沉量极差为425mm;在81m深处,地层水平移动量达到最大,为462mm,地层水平移动量极差为723mm。距离13-1煤层停采线300m处,在64m深处,地层下沉量达到最大,为289mm,地层

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