缓倾斜多煤层顶板岩体变形移动特征数值模拟

作者:吴志平;仇圣华;胡欣雨;李瑛 刊名:辽宁工程技术大学学报(自然科学版) 上传者:刘闻莺

【摘要】针对某缓倾斜多煤层复杂的采矿地质条件,运用有限元软件进行三维数值计算分析,建立三维地质概化模型时考虑了断层的影响,对不同开采条件所引起的煤层顶板岩体移动和地表沉陷进行了数值计算.得到不同开采条件下地表、煤层顶板基准点的下沉移动分布曲线,煤层顶板基准点的最大、最小沉降、沉降差,以及煤层开采后顶板的主应力、剪应力值.研究结果表明:同时回采3101、3102工作面和错时开采3101或3102工作面引起的地面最大沉降和沉降差均变化不大,分别为520 mm、498 mm、515 mm及59 mm、78 mm、81 mm.该矿开采区域缓倾斜煤层引起的地表变形状况提供定量依据,为缓倾斜煤层以及类似条件下中小矿山合理、安全、经济的开发提供参考.

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0引言随着煤炭资源的进一步开发,浅部及条件简单地区的煤炭资源逐渐匾乏,条件复杂地区的煤层开采已构成了中国目前乃至未来相当长时间内煤矿企业的攻关课题[1-2].开采活动破坏了采场围岩的原始应力平衡状态,导致其围岩应力重新分布,以往的研究常常没有考虑断层的影响,由此可能造成结果误差较大[3].该矿的矿井范围主要发育有F26、F23、F1-4、F1-5、F1-6和Fx-2断层,且均为张性断层,对煤层开采极为不利.通过数值模拟研究不同开采条件时引起的地应力及地层沉降,同时考虑断层的影响,为进一步深入研究煤层顶底板变形和应力规律,为缓倾斜多煤层的开采提供一种有效的预测方法[4-5].1有限元数值模型1.1工程概况山东某矿的主采煤层为3-上煤层和3-下煤层,煤层均为单一结构,煤层倾角19,3-上煤层平均厚5.2m,3-下煤层平均厚1.3m.煤层地表为粘土、黄土,倾向于粘土为主,以下依次为红砂岩、粘土岩、中砂岩、粘土岩、中砂岩、粘土岩、中细砂岩、3上煤层、砂质粘土页岩、3下煤层、细砂岩及砂质页岩;3-上煤层平均埋深174m.煤矿矿井范围主要发育有F26、F23、F1-4、F1-5、F1-6和Fx-2断层,且均为张性断层,对煤层开采极为不利.各断层见图1,分别为(1)F26倾角2070,落差H=100m;位于这条断层的主方向所在位置;(2)F23倾角2555,落差H=70m;(3)F1-4倾角50,落差H=0-10m;(4)F1-5倾角50,落差H=10m;(5)F1-6倾角50,落差H=10m;位于这条断层的方向所在位置;(6)Fx-2倾角45,落差H=1025m.图1煤层剖面布置Fig.1coalseamsectiondistribution1.2计算区范围模型计算区域为长450m,宽400m,深250m,据此取平面尺寸为450m400m,上部边界取至地表,下部边界取至第11层煤层下表面以下134.97m.1.3边界条件上部边界为自由边界,下部边界为位移约束边界,侧向边界在垂直于表面的水平方向为位移约束边界,竖向为自由变形边界.1.4单元划分采用8节点六面体单元离散各层岩石、土层及煤层,详见图2.断层做如下简化来模拟:(1)F26倾角取48,厚1m;(2)F1-4、F1-5两条断层归并为一条,倾角50,厚1.5m;(3)F1-6倾角50,厚1.5m;(4)F23倾角取42,厚1m;(5)Fx-2倾角45,厚1m.利用最大拉应力判据,应用Drucker-Prager屈服准则来确定煤层开采后的应力、位移、可能出现的破坏范围,以此来确定岩石、土层的稳定性及煤层开采沉陷规律等[6-10].图2三维网格Fig.2three-dimensionalmesh1.6材料参数根据岩层分布情况和地质勘探报告及室内岩石力学参数实验结果,其力学参数见表1.1.7工况根据煤层赋存条件,布置相应的回采工作面.(1)3101工作面及位置3101工作面简化为3小块:左一,宽40m长120m;左二,宽20m长120m;左三,宽40m长120m;3上煤层采空区左侧离左边界x=174m;3下煤层采空区左侧离左边界x=180m.(2)3102工作面及位置3102工作面简化为四小块(包括宽80m长120m):右一,宽28m长120m;右二,宽14m长120m;右三,宽10m长120m;右四,宽20m长120m;3上煤层采空区左侧离左边界x=294m;YZX3下煤层采空区左侧离左边界x=286m.(3)自重工况自重下弹性模量均未折减.(4)回采3101工作面工况开采左一,宽40m长80m(总长度减少4

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