开采缓倾斜煤层倾向主断面地表残余移动变形函数

作者:朱广轶;侯杰;马亚丽;张莉莉;张晓范; 刊名:沈阳大学学报(自然科学版) 上传者:李鑫

【摘要】基于老采区地表残余移动变形机制,指出第2阶段地表残余变形对地基稳定性的影响是不可忽略的;基于单元开采引起地表单元下沉数学模型,分别提出缓倾斜煤层在半无限和有限开采条件下地表残余移动变形预测的5个数学模型:倾向主断面地表残余下沉函数、倾向主断面地表残余水平移动函数、倾向主断面地表残余曲率变形函数、倾向主断面地表残余水平变形函数、倾向主断面地表残余倾斜变形函数.采用FLAC3D数值模拟、数学模型对比和矿区实测数据3种方式对该数学模型进行了验证.结果表明,提出的数学模型达到定量分析精度,可推广性强,可以用来预测开采缓倾斜煤层倾向主断面地表残余移动变形.

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目前,我国规程中没有老采区倾向主断面地表残余变形预测概念和理论,也没有倾向主断面地表残余变形的观测资料.国内外关于残余移动变形问题的新进展是走向主断面的数学模型[1]1964-1966,而在倾向开采条件下老采区缓倾斜煤层倾向主断面地表残余移动变形预测模型及其规律是国内外新的研究问题.本文在老采区走向主断面地表残余移动变形数学模型研究的基础上,通过缓倾斜煤层工作面沿倾向推进时(如皖北矿区),分析倾向主断面残余移动变形的机理,构造其数学模型.1地表残余移动变形机制地下煤层开采结束之后,导致地下采空区及上覆岩层存在裂隙、离层和未压实区.此外,开采沉陷预测的静态模型计算中[2-3],由于顶板悬臂作用,在工作面两端会产生一定大小的空洞,即拐点偏距,因此其实际计算长度等于工作面开采长度减去两端拐点偏距的大小.地表稳定后若干年,这种覆岩欠压密区依旧存在.当地下水出现,会改变岩体力学性质.若老采区上方有附加荷载时,产生附加应力,其影响深度较大,以至于涉触到稳定性较差的覆岩裂缝带时,则打破岩体平衡状态,从而在老采区产生地表残余变形.朱广轶[1]1964指出老采区地表残余移动变形有2个阶段,第1阶段的地表移动变形对建筑影响可以忽略;而第2阶段,地表残余变形[4-5]主要由老采区地表附加荷载或地下水位的改变或地震等外界条件影响使岩体力学状态改变产生,引起老采空区及覆岩层活化.其对建(构)筑物稳定性的影响是有害的、不可忽略的[6-10].2开采缓倾斜煤层倾向主断面地表残余移动变形影响函数为达到定量分析程度,研究残余移动变形,用等效开采厚度代替这些采空区的空洞、空隙以及裂隙的大小,通过随机介质理论构造半无限开采和有限开采条件下缓倾斜煤层倾向主断面地表残余移动变形预测的数学模型.2.1半无限开采条件(1)倾向主断面地表残余下沉.老采空区中部尚未充分压实区所有空洞、空隙经过活化,将被充分压实.因此,地表极限下沉值不会超过采厚M,在这部分下沉值中包括老采区地表残余下沉值.对于缓倾斜煤层来说,上山方向垮落岩石向下山方向滑移的可能性较小,认为上山方向和下山方向下沉系数相等,均取极限下沉系数1.则可通过计算得到上山、下山拐点偏距对应地表残余下沉的等效开采厚度,即为采厚M.则在老采空区倾斜方向的中部未充分压实区岩层的残余下沉,其下沉系数为1-q,q为静态下沉系数.设其中部未充分压实区的残余下沉为等效开采厚度M1,则M1=M(1-q).(1)在计算时,将整个开采长度看作无穷个开采单元的总和,因此残余移动变形对地表的影响求和即可.则由单元开采引起地表单元下沉的数学模型如下式:We(y)=1re-πy2r2.(2)式中:We(y)为单元下沉值;r为主要影响半径,计算开采缓倾斜煤层倾向方向的单元下沉值时,式(2)中的r分别用r2和r1代替,分别为上山、下山方向的主要影响半径.缓倾斜煤层在倾向开采条件下,老采区倾斜方向上,单元开采厚度引起地表任一点A的下沉值记为We(y-s),如图1.图1中,α为煤层倾角,s为倾斜方向开采单元的横坐标,y为缓倾斜煤层倾向开采条件下倾向主断面地表任一点横坐标,2为开采单元.s1是上部覆岩由于悬臂现象而导致的空洞,为下山方向的拐点偏距.静态过程中,该段空洞不会引起地表发生移动变形.由于岩体的流变性质,s1空洞和老采区中部未压实区最终将均被充填、压实,故半无限开采的地表残余下沉值为Wc(y)=M∫s101r1e-π(y-s)2r21ds+M1∫∞s11r1e-π(y-s)2r21ds.(3)图1缓倾斜煤层倾向半无限开采时地表下沉和水平移动Fig.1 Surface s

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