急倾斜煤层深部开采岩层移动数值模拟研究

作者:田秀国;戴华阳 刊名:矿山测量 上传者:伍小波

【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。

全文阅读

急倾斜煤层开采后地表移动规律较复杂,存在多种不同的沉陷模式,既有连续变形,也有非连续变形和突然塌陷[1-3],这也是对急倾斜开采沉陷认识的困难所在。研究岩层内部移动规律和机理是解释地表移动规律及预测其发展的有效途径[4-5]。本文采用数值模拟方法,结合唐山马家沟矿急倾斜煤层开采具体条件,研究了急倾斜煤层深部开采岩层移动的规律与机理。1急倾斜煤层深部开采数值模型急倾斜煤层在形成过程中通常遭受过比较剧烈的地质构造运动,岩体原生裂隙比较发育,急倾斜煤层的开采会进一步促进岩体裂隙的发育和扩展,急倾斜开采岩体可看做一种离散介质,其内部存在大位移、旋转和滑动乃至块体的分离。因此,离散元较适合用来模拟急倾斜煤层开采引起的岩块滑动、转动和变形等岩层移动[6-7]。1.1计算模型本文以唐山马家沟矿十水平西翼急倾斜煤层地质采矿条件为原型。由于该矿开采时间长,目前九水平以上已采完,现正开采九、十水平(标高-600~-800m),矿井已进入深部开采。主采两层煤:9-2煤层,煤厚3.2~4.8m,平均4.0m,煤层倾角56;12煤层,煤厚5.4~6.6m,平均6.0m,煤层倾角56。第四系松散层平均厚约30m。基岩以砂岩为主,整体为中硬岩性。采用离散元软件2D-Block[8]沿倾斜主剖面建立二维数值模型。图1为马家沟矿西翼11号剖面图简化后建立的数值模拟设计图。计算采用平面应变模型,模型两侧及底边施加固支撑约束。岩石力学研究表明,岩体力学行为除与本身物理力学性质有关外,还与载荷状态和加载历史有直接关系。顾及开采过程中围岩应力环境变化导致的地表移动变形,需先对九水平以上(标高-30~-600m)急倾斜煤层进行前期模拟,然后模拟开采九水平(标高-600~-700m),最后进行深部2个水平的开采,即十水平(标高-700~-800m)和十一水平(标高-800~-900m)。模型采用下行开采,先采9-2煤层,再采12煤层,开采标高-30~-900m,累计垂高870m。1.2参数选取本次模拟计算的力学参数参照马家沟矿岩石物理力学试验结果。法向刚度系数、切向刚度系数分别由下式求得:kn=(Ea)/(2b)(1)ks=kn/[2(1+v)](2)式中:a、b分别为离散单元块体的长度和宽度;E、分别为岩层的弹性模量和泊松比。离散单元块体的划分,以实际岩层的层理、节理和断层的发育及分布情况为准,兼顾岩层的力学性质,有如下几个原则:以天然岩体的层理作为分层划分块体的标准;对于松散破碎的岩体,块体的尺寸应小些,反之,块体的尺寸应大些;在垮落带和裂隙带内,块体的尺寸应小些;而在弯曲下沉带,块体的尺寸应大些。假定块体为不变形的,各岩层岩性参数及块体划分如表1所示。建立的马家沟矿急斜煤层开采离散元数值计算模型如图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岩性容重(kg/m3)块体尺寸a(m)b(m)弹性模量(GPa)泊松比抗拉强度(MPa)内摩擦角()粘结力(MPa)法向刚度系数(109N/m2)切向刚度系数(1010N/m2)黄土1800630.010.30.002150.30.010.004砾岩260020105.40.160.6401.355.42.3粗砂岩26801264.80.230.85372.84.82.0中砂岩27101057.50.122.5392.157.53.3细砂岩26708430.251.1381.63.01.29-2煤1300631.90.121.1421.451.90.8碳质泥岩2440633.230.2951.

参考文献

引证文献

问答

我要提问