采深和松散层厚度对开采沉陷地表移动变形影响的数值模拟研究

作者:刘瑾;孙占法;张永波 刊名:水文地质工程地质 上传者:李盼盼

【摘要】文章以山西霍州辛置煤矿2204工作面为试验研究基地,采用岩石破裂软件RFPA2D模拟开采沉陷过程,研究煤层采动后地表移动及变形的规律;系统地分析了采深采厚比对地表移动及变形的影响。

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多年来我国大量开采矿山资源,许多地区形成了大规模、大范围的采空塌陷区。矿山开采沉陷造成地表下沉、变形,由此带来一系列灾难性后果。如房屋开裂倒塌、道路断裂、地下管网等基础设施破坏,潜水位及地下水系改变,耕地荒芜,森林植被遭受破坏,生态失衡等。地表沉陷的治理与恢复耗资巨大,这对于土地资源本来就十分紧缺的中国无疑是一个重要的社会和生态问题[1]。何国清等[2]从随机观点研究碎块体移动规律,建立了碎块体理论-地表沉陷的威布尔分布形式,但文章提出来的具有代表性的概率积分法,只有在上覆岩层的岩性差别不大的地质条件下,才能反映覆岩的移动规律和变形;而在上覆岩层的岩性差别较大的情况下,特别是在有厚硬岩层、冲积层地质条件的情况下,预计覆岩的移动和变形与实际情况有一定的差别。杨伦等[3]的岩层二次压缩理论,将地表沉陷与岩层的物理性质联系起来,王泳嘉[4]将离散元法和边界元法应用于开采沉陷中应力、位移、变形的研究,但这些理论研究还没有得到推广应用。邓喀中[5]的损伤有限元法,提出了开采沉陷的结构效应,但在上覆岩层呈现非线性微观结构效应时,所建立的力学模型只能单一表示出节理裂隙断层等的受力状态,没有综合考虑这些因素的影响。对具体单一条件,也只能人为地考虑节理裂隙断层等的分布规律对覆岩移动和变形的影响,与实际情况是否相符不能判断,只是想象的状态。杨硕[6]建立了开采沉陷的力学模式,但应用力学方法研究开采沉陷,由于研究对象的复杂性,在建立力学模型、确定计算边界以及岩体参数选取方面都进行了大量的简化,使得计算模型与实际问题偏差较大。孙占法等[7]在数值模拟试验中系统地分析了不同采深对采空区“三带”下沉量及地表移动变形量的影响,探讨了不同采深下采动上覆岩层移动与变形规律,但只是单一地探讨了采深对采空区上覆岩层移动与变形规律。目前大多数方法仍只能处理连续介质力学问题,即使一些非连续介质力学方法(如块体理论)也难以考虑岩石从细观破裂到宏观破裂的过程。本文采用RFPA2D数值方法,既考虑微观缺陷,又考虑节理、裂隙等宏观缺陷。通过考虑材料的非均匀性来模拟材料的非线性,通过单元的弱化来模拟材料变形、破坏的非连续行为,可用于研究岩石(岩体)材料从细观损伤到宏观破坏的全部过程,能够有效地反映采动岩体沉陷状态,适应于不同特征的岩体采动沉陷研究。1地质条件霍州矿务局辛置煤矿位于霍西煤田的中南部。井田面积47km2,可采及局部可采煤层为六层,总厚885m,以肥煤为主。本文数值模拟试验以2204工作面为原型,该工作面上方相对位于辛置镇董家庄村南03km处,有一条简易公路,无其它建筑物,全为农田,仅在沟谷部位有基岩出露,为二叠系上石盒子组中段地层,地表大部分被黄土覆盖,岩性为第四系黄土,部分具有非自重湿陷性。根据工作面附近74#钻孔资料,该工作面覆岩厚度为20117m,其中黄土层厚7562m,占总厚度376%;中、细砂岩为4287m,占总厚度213%;泥岩、泥质砂岩为8268m,占总厚度411%。所采2#煤层厚度338~374m,平均厚度359m。伪顶为黑色泥岩,厚0~028m;直接顶为灰黑色砂质泥岩,厚20m,其中部有一层01~02m的煤线;老顶为K8灰白色中-细粒砂岩,厚10m。煤层顶板节理发育,顶板岩层在开采后有良好的自然冒落条件。该工作面地质构造简单,地形地层变化不大,煤层产状平缓,倾角为2~5,所以用74#钻孔资料来代替地质剖面。工作面的储量为218104t,上分层于1988年4月~1989年1月开采,下分层在1990年12月~1991年8月开采。工作面以走向长壁式布置,走向长560m,顶板

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