倾斜煤层矿山开采沉陷分析.pdf

第5 5 卷第3 期 2 0O3 年8 月 有色金属 N O N F E R R O U SM E T A L S V o I5 5 ，N o ．3 A u g u s t 2O0 3 M i n i n gS u b s i d e n c eo fI n c l i n e dS t r a t aC o a lM i n e Y I N G u a n g z h i2 ”，Z H A - - N G D o , t a m i n 9 1 ”，W E IZ u o a n l2 ．U D v a g r v e i 2 2 1C o l l e g e 酊R ㈣r c Ea n dE n r A r o n m e n t a lS c i e n c e ，C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ，C h o n g g i n g ，4 0 0 0 4 4 ．C h i n a 2K e y L a b ．如r t h e E x p l o i t a t i o no f S o u t h “ s t R e s o u r c e 5a n d t h e E n v i r o n m e n t a l D i s a s t ⋯C ot r o l E n ∥n 删r i n g ，M i n i s t r y o ，E d u c a t i o n ，C h o n g q l n g ．4 0 0 0 4 4 ．C h i n a A B S T R A C T T h em i n i n ga u b s i d e n c ea n ds t r a t am o v e m e n to fN e o a jm i n ea r e ai si n v e s t i g a t e db ym e a n 5o fa n a l 。 y s i so fp r a c t i c a lm e a s u r e m e n td a t a ，m o d e l i n ge x p e r i m e n ta n dn u m e r i ca n a l y z i n g ．S i m i l i t u d em o d e li s e s t a b l i s h e db ym o d e l i n gt h e o r y ，a n dn u m e r i ca n a l y s i si si m p l e m e n t e db y2 D ap r o g r a mT h er e s u l t s s h o wt h a tt h es u h s i d e n c ec u r v ea n dh o r i z o n t a lm o v e m e n tc u r v ea r en o tc o n t i n u o u sa n ds m e o t h ．b u ta r e u n s y m m e t r i c a lw i t h8 0 m ev a r i a t i o nc a u s e db yg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sT h es u b s i d e n c ep a r a m e t e r ．h o r i 、 z o n t a lm o v e m e n tp a r a m e t e r ，t o ps u b s i d e n c ee x t e n ta n do t h e rp a r a m e t m - su s e dt op r e d i c tg r o u n dm o v e 、 m e a ta r eo b t a i n e dT h e a ep a r a m e t e r sa r ec o n s o n a n tw i t ht h ep r a c t i c a lv a l u e so fl o c a im i n i n gc o n d i t i o n s a n dh e l p f u lt om i n i n ge n g i n e e r i n gI th a sb e e np r o v e nb yp r a c t i c et h a tt h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t sa r e b e n e f i c l a lt og r o u n dm o v e m e n tc o n t r o la n ds u b s i d e n c ed i s a s t e rp r e d i c t i o n ． K E YW O R D S m i n i n ge n g i n e e r i n g ；m i n i n gs u b s i d e n c e ；m o d e l i n ge x p e r i m e n t ；s t r a t am o v e n l e n t ； n u m e r i ca n a l y z i n g ；i n c l i n e dc o a ls t r a t a C I ￡N a m e r T D 8 2 3 ．2 1 2 ；h A 3 3 2 7 ；T B 2 4D o c Ⅱ瑚e n t C o d e AA r t i c l e I D 1 0 0 l 一0 2 1 i 2 0 0 3 0 3 0 1 0 4 0 5 1I n t r o d u c t i o n M i n i n gs u b s i d e n c eh a sb e e nap r a c t i c a lp r o b l e m f o ral o n gt i m e ，i tr e l a t e st ot h es e r l a lm o v e m e n t s ， d e f o r m a t i o na n dd i s c o n t i n u o u sd e s t r u c t i o no ft h er o c k l a y e ra n dg r o u n ds u r [ a e e ．T h e r ei s1 3 ．ot h o r o u g hs o l u t i o nt ot h ep r o b l e mb e c a u s eo fc o m p l e xg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dd i v e r s em i n i n gm e t h o d s ．A f t e re x c a v a t i o n ，t h eb a l a n c ek e p tb yt h eo r i g i n a ls t r e s s ’sc o n d i t i o n si sb r o k e nT h e nr o c kl a y e r sw i l ll o s es t e a d i n e s s a n db e g i nt om o v e ，d e f o r i D ．o rb ed i s c o n t i n u o u s l yd e s t r o y e d A sf o rt h ec o a ls t r a t u mu n d e rf lb u i l d i n g ． r a i l w a ya n dw a t e rb o d i e s ，i ta p p e a r sal a y e rf o rp a r t i c u l a rc o n c e r n ．T h eg r o u n dm o v e m e n tm a yc a u s et h e b u i l d i n gd a m a g e ，t h er a i l w a y a n do t h e r g r o u n d h e a v eS oi ti si m p o r t a n tt oi n v e s t i g a t et h em i n i n g P r o j e a ts u p p o r t e db y D o c t o r a t eF o u n d a t i o n f o r U n i v e r s i t i 髓 2 0 0 0 0 6 1 1 1 5 ； T h et e a c h i n ga n dr e s e a r c ha w a r dp r o g r a m f o ro u t s t a n d i n gy o u n gt e a c h e r sl nh 嘧h e r e d u c a t i o nl n s t i t u t i o r mo fM O E ，PR C h i n a T R A P O Y r R e c e l v e dd a t e 2 0 0 2 0 9 2 3 B i o g r a p h y Y I NG u a n g z h i 1 9 6 2 ～ ．M a t e ．P h ．D ．P r o f e s s o r s u b s i d e n c ep r o b l e m T h eb e h a v i o ro fg r o u n dm o v e m e n ti nN C o a lM i n e i n c l i n e dc o a ls t r a t a i ss t u d i e db ym e a s u r 目a e n t ，e x p e f i m e a ta n dn u m e r i ca n a l y z i n gi nt h i sp a p e r 2N o r m a lb e h a v i o ro fm i n i n g s u b s i d e n c e T h es t r a t u mi nt h en e wc o n d i t i o na f t e rm o v e m e n tc a u s e db ym i n i n ge x c a v a t i o nc a nb ed i v i d e di n t o t h r e ez o n e sb yd e s t r u c t i o nd e g r e e ，i e ．，c a v i n gz o n e ， f r a c t u r e dz o n ea n dc u r v i n gs u b s i d e n c ez o n eR o c ki n c a v i n gz o n ec o n t a i n sf r a c t u r e ，f r a g m e n t a t i o na n dr o c k b l o c k sd r o p p e dd o w nT h e r ea r ee m e r g i n gl a r g e b e n d i n gd e f o r m a t i o n ，v e r t i c a la n dp a r a l l e lf r a c t u r e s w i t hs t r a t u mi nf r a c t u r e dz o n eC o n t i n u o u sm o v e m e a ta p p e a r si nc u r v i n gs u b s i d e n c ez o n e ，a n dt h ed e f o r m a t i o ni se l a s t i ca n dp l a s t i co n es i n c ei ti s n ’tb e ． y o n dt h ed e s t r u c t i v ei n t e n s i o n ． G r o u n dm o v e m e n tc a u s e db ym i n i n gi si n f l u e n c e db yv a r i o u sg e o g r a p h i ca n dm i n i n gf a c t o r sS o t h eg r o u n dm o v e m e n ta n dd e s t r u c t i o nm o d e l sa r ed i f f e r e n tf o rd i f f e r e n tm i n i n gd e p t h ，m i n i n gm e t h o da n d c o a ls t r a t u ms i t u a t i o n ．T h eg r o u n dm o v e m e n ta n dd e 万方数据 堑 塑一兰 翌堡 竺壁 竺生坚i i 坚兰 i 竺 兰 竺 i 塑 竺 坐竺竺 堕一 f o r m a t l o na r ec o n t i n u o u sa n do fo b v i o u sr e g u l a r i t yf o r t h es i t u a t i o nw i t hl a r g er a t i oo fd e p t ht ot h i c k n e s s ． O t h e r w i s e ，t h e yw o u l db ed i s c o n t i n u o u sa n di r r e g u l a rM o v e m e n th a s i na n dd i v e r s ed i s p l a c e m e n to rd e f o r m a t i o nc u r v e so fh o r i z o n t a IC O S ls t r a t as h o wf i n e r e g u l a r i t y A sf o ri n c l i n e dc o a ll a y e r ie ．，Ⅳ_ M i n e ，t h el a r g e s td i s p l a c e m e n tp o i n tw i l lm o v et o w a r d st h ed o w n h i l lb u tn o ti nt h em i d d l eo fm o v e m e n tb a s i n ．S u b s i d e n c ec u r v ea n dh o r i a o n t a lm o v e m e n ta r eu n s y m m e t r i c a l ．U s u a l l y ，l o n gw a l lm i n i n g o ft h es t r i k ew o r k i n gm e t h o di sw i d e l ya d o p t e d ，t h e g r o u n ds u b s i d e n c ea n dr o c kl a y e rm o v e m e n tg r a d u a l l y d e v e l o p i n ga l o n gt h el o n gp r o f i l eo fc o a ls t r a t a ，a tl a s t w i l lb ek e p ts t a b l e ．M e a n w h i l et h er u l eo fg r o u n d m o v e m e n ti so b v i o u s ．T h e r ei sn oo b v i o u sr u l ef o rt h e g r o u n dm o v e m e n ta l o n gt r a n s v e r s ep r o f i l e ，i td e p e n d s o nt h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o no fas p e c i f i cm i n e ．T h er e s e a r c hr e s u l t sb a s e do nt h et r a n s v e r s ep r o f i l eo fc o a l s t r a t aa r ed e s c r i b e di nf o l l o w i n gp a r a g r a p h s ． 3S i m u l a t i o nm a t e r i a lm o d e l e x p e r i m e n t 3 ．1 M o d e l i n gr a t i o T h ec o n s t a n t si n c l u d i n gt h em o d e l i n gr a t i oo fg e o m e t r y ，d e n s i t y ，i n t e n s i t y a n dt i m en e e dt ob ed e f i n e df o rm o d e l i n g ． 3 ．1 ，1S t r u e t u r a ts i m i l i t u d er a t i o ．T h es t r a t u m ’s t h i c k n e s s ，m i n i n gd e p t ha n ds p a c ec o n f o r m e dt oe x a c t p r o p o r t i o nb e t w e e nm o d e la n dp r o t o t y p e a r en e c e s s a r y f o rm o d e l i n ge x p e r i m e n t ．I ns i m u l a t i o no ft h es u h s i d e n c e ．t h es t r u e t u r a Is i m i l i t u d er a t i oi sa i le s s e n t i a l p a r a m e t e rU s u a l l y ，t h el a r g e rt h es t r u c t u r a ls i m i l i r u d er a t i o ，t h em o r ep r e c i s et h er e s u l t s ．T h es t r u t r u r a ls i m i l i t u d er a t i os h o u l db et h e o r e t i c a l l yl a r g ee n o u g h ，b u ti t i sd i f f i c u l tt oo p e r a t ei nf a c t ．I tr e q u i r e s n o to n l ym u c he x p e n s e ，b u ta l s os t r i c tc o n d i t i o n s ． H o w e v e r ，t h ee x p e r i m e n ta c c u r a c yw o u l dn o tb ea f f e e t e db yu s eo fe l la d e q u a t es t r u c t u r a ls i m i l i t u d er a t i o a n da d o p t i o no ft h es u i t a b l em e a s u r ea n dm e a t n s ． C o n s i d e r i n gt h ep r a c t i c a lc o n d i t i o n s i nN c o a l m i n ef l s h o w ni nT a b l e1 ，m o d e le x p e r i m e n tw o u l d m i m i ct h ea r e aw i t h5 0 0 md e e p ．I fs t r u e t u r a Is i m i l i t u d er a t i ow e r el i t t l e ，t h em o d e lw o u l db et o ob i gt o o p e r a t e ，s ot h es t r u c t u r a l s i m i l i t u d er a t i oc h o s e ni s 1 4 0 0 C 1 ． T a b l e1R o c k ’sm e c h a n i c a lp a r a m e t e r si nN - m i n e Y o u n g ’5P o l i o Ⅱ19 C o h 豳nI n t e r n a lf r i c t i o n U n i a x i f lt e n s i o n D e n s i t y ／ 3 ‘‘8 ‘u m M 。d u l u 8 舢如R a t i o A V I p a a n 9 1 e ／ 。s t r e n g t h ／M P a t , m - 3 T I t 1 0 6 4 9 50 ．3 4 2 31 45 1 3 3423 2 9 726 0 T F I9 9 6 3 9 0 3 0 6 01 6 8 12 29 20 6 8 524 5 T 盹1 0 4 6 9 3 03 3 3 31 45 l3 3 ，419 5 5 4 2 ．5 5 P L 81 4 7 7 4 502 9 5 02 05 0 3 4207 0 4 722 5 P M l1 2 9 5 5 750 ．2 7 2 71 45 1 3 3432 1 826 0 312 D y n a m i cs i m i l i t u d er a t i o ．D y n a m i cs i m i l a r i t y r u l er e q u i r e st h a tf o r c e sc o n f o r mt ot h ee x a c tp r o p o r t i o nb e t w e e n m o d e l a n dp r o t o t y p e ．I ne x p e r i m e n t ， c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e rr e f l e c t sf o r c e si n c l u d i n gd e n s i t y ，b o u n d a r ys t r e s sa n di n t e n s i t y ．M o d e l i n gm a t e r i a lc o n t a i n ss a n d ，g y p s u ma n dl i m eT h ea d o p t e dd e n s i t yr a t i oi sa sf o l l o w s ．C r r I H ／r r 2 H ／r 2 16 6 7 ，i n w h i c h ，C ，i sd e n s i t yr a t i o ；r 1 H ，N o ．1l a y e r ’sd e n s i t yi np r o t o t y p ea n dr m i ，N o ．1l a y e r ’ad e n s i t y i n m o d e l 3 ．13E x c a v a t i o nt i m er a t i oF o rt h el i m i to fe x p e r i m e n tc o n d i t i o n ，t h et i m ep r o p o r t i o nb e t w e e n m o d e la n dp r o t o t y p ei sa d o p t e db yk i n e m a t i c ss i m i l a r i t yr u l eu n d e rg r a v i t y ，C t C 1 1 “ 4 0 0 1 4 2 0 3 ．2 M o d e l i n gm a t e r i a l P r e s e n t l y ，t h em o d e l i n gm a t e r i a lc o m m o n l yu s e d i n c l u d e sg y p s u mm i x t u r e ，l i m em i x t u r ea n ds y n t h e t i c g u mm i x t u r e ，e t c M i x t u r ec o n t a i n ss u p p o r t i n ga n d c l o t t i n gm a t e r i a l ．N o r m a l l y ，s a n d ，m i c ap o w d e ra n d t a l c u mp o w d e ra r eu s e da ss u p p o r t i n gm a t e r i a lw h i l e g y p s u ma n dg y p s u m - l i m eu s e da sc l o t t i n gm a t e r i a l ． C o n s i d e r i n gm a t e r i a ls e l e c t i n g ，t r a n s p o r t i n g ，e x p e n d i t u r ea n da v a i l a b i l i t y ，s a n di sa p p l i e da ss u p p o r t i n gm a t e r i a la n dg y p s u m l i m e a sc l o t t i n gm a t e r i a l ． F u r t h e r m o r e ，t a l c u mp o w d e rl a y e r sa r el a i dt om i m i c t h ee f f e c tb e t w e e nl a y e r s 万方数据 竺 一一 皇垒堡 一一 三生 I n t e n s i t y ，S M S H ／ C j C ， S k ／6 6 67 ； m o d e lf r a m e ．1 e n g t h w i d t h h e i g h t 1 ．5 m 0 ．3 m 12 m m o d e l i n gr a n g e ，5 0 0 md e p t h f r o mg r o u n d s u r f a c et oc o a ll a y e r ，1 2 0 mw i d t h a l o n gc o a ll a y e r ，6 0 0 ml e n g t h a C F O S Sc o a ll a y e r B e c a u s ec o a ll a y e ri st o ot h i n ，i ti se n l a r g e dt o5 m u l t i p l et h i c k n e s s F o rt h em e a s u r e m e n to fd i s p l a c e m e n ta n dd e f o r i l i a t i o n ，1 4m i c r o m e t e r sa r ef i x e dt ot h et o po fm o d e 1 ．7o ft h e r n N ol ～N o7 a r et Om e a s u r ev e r t i c a l d i s p l a c e m e n t ，a n do t h e r s N o8 ～N 。．1 4 a r et o 3 ．3 m e a s u r e h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t F i g ．1 F i g ．1 S t r a t am o v e m e n ta f t e r m o d e l i n ge x e a Y a t i o n ／＼ 夕 _ 345 ，八。 J ＼√ F i g ．2R e s t r a i n tc o n d i t i o na n dg r o u n d m o v e m e n ti nn u m e r i cm o d e I E x c a v a t i o n T h et o po fm o d e li saf r e es u r f a c ew h e r ei sn o a n yl o a d ．D u r i n ge x c a v a t i o nm i m i c k i n g ，4g r o u p so f e x c a v a t i o nw o u l db ee x e c u t e d ，a n d4e x c a v a t i o ns t e p s a r ep u ti n t op r a c t i c ei ne a c hg r o u pT h ee x c a v a t i n g s t e pi s2c e n t i m e t e r sl o n g ，a n dt h ei n t e r v a lb e t w e e n2 s t e p si s2h o u r S I tt a k e s2d a y sf o r2g r o u p s ．t h u s o b v i O U Sd e f o r m a t l o nc o u l db em e a s u r e d ．A f t e rf i n ． i s h e de x c a v a t i o no fu p p e rc o a ll a y e r ，l o w e rc o a ls t r a t u mw o u l db ee x c a v a t e dc o n t i n u a l l y ．S o m eC H F V e Sa r e d r a w na si n d i c a t e di nF i g ．3a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nm a t e r i a lm o d e l ． 量 ／＼ ∽ a 一I n c l i n e dd e f o r m a t i o n ⋯e ； b 一S u b s i d e n c ec u r ”； c 一H o r i z o n t a ld e f o r m a t i o nc u Ⅳe F i g ．3 S i m u l a t i o nc u r v e so fm a t e r i a lm o d e l 3456 l 坩 d 一D i s p l a c e m e n tc u r v e Ⅲ 肼 瑚 一 ㈣ 一 ㈨ 呈 ㈣ 舢 叫 万方数据 第3 期 Y I NG u a n g z h ie ta l M i n i n gS u b s i d e n c eo fI n c l i n e dS t r a t aC o a lM i n e 1 0 7 4N u m e r i ca n a l y s i s R o c kh a sb o t he l a s t i ca n dp l a s t i cp r o p e r t i e s ． T h e r ea r et w ok i n d so ff o r c ea c c o r d i n gt oe l a s t i cm e c h a n i c sO n ei sp l a n es t r e s s ，a n dt h eo t h e ri sp l a n e s t r a i n ．I nf a c t ，t h es a m er e s u l tf o rs t r e s sc a nb eo b t a i n e dw h e t h e rc o n s i d e r i n gs t r a i no rn o tT h en u m e r i ca n a l y s i si n t h i sp a p e ri sm a d e ／o rs t r e s sa n a l y s i s ． F u r t h e r m o r e ，s t r e s sa n a l y s i si sd o n ea l o n gt h es a m e t r a n s v e r s ep r o f i l ei nt h es i m u l a t i o nm a t e r i a lm o d e l ， t h u s2 Df i n i t ee l e m e n tm e t h o d F E M p r o g r a mi ss u f f i c i e n t ．2 D di san u m e r i ca n a l y z i n gs y s t e mw h i c h s u p p o r t st h er o c ka n d ．s o i ld e s i g n i n g ，b yw h i c ht h e m e c h a n i c ss t a t u sa n dc h a r a c t e r so fo b j e c t sc a nh ei t l u m i n s t e d F o rp l o t t i n gc e l l s ，q u a d r a n g l ec e l li su s e dm o r e l a r g e l yt h a nt r i a n g l ec e l l C e l l si nc o a ls t r a t aa n dr o c k s t r a t an e a rc o a lo n ea r ed e n s e l yp l o t t e d ．T h ec e l l so f r o c ks t r a t af a rf r o mc o a ls t