南桐煤矿开采岩移规律的数值模拟.pdf

2 0 0 1 年 9月 第 2 4卷第 5期 重庆大学学报 自然科学版 J o u ma l o f C h o n g n g U n d v e r s l t y N a t u r a l S c i e n c e F fi o n v0 1 ． 2 4 N o 5 s e p 2 0 0 1 文章编号 1 0 0 0 5 8 2 x 2 0 0 1 0 5 0 0 6 2 0 5 南桐煤矿开采岩移规律的数值模拟 尹 光 志 ， 代 高 飞 ， 万玲 ， 张 东 明 1 ． 重庆 大学 资源厦环境科 学学院， 重庆4 ∞0 4 4 ； 2 ． 重庆大学 西南资源开发厦环境 灾害控制工程教育部 重点 妾验 室， 重庆4 O 0 O 4 4 摘要 针对南桐矿务局 南桐煤矿深部开采复杂的采矿地质务件 ， 运 用求解非线性 大变形问题有 限 差分法 F L A C ， 对南桐煤矿二井三 区开采引起 的岩体移动、 矿山压力分布和地表沉 陷进行 了研 究， 总结 出了南桐煤矿深部开采引起 的岩体移动的基本特征 ， 采场周 围矿 山压 力分布规律和地表沉 陷的相关参 数， 所得 结果对现场开采、 工作面支护和采空区处理具有一定的指导作用， 对开采所致的地表沉陷的治理 提供 了科 学的依据。 关键词 数值模拟； F L , C ； 岩体移动 ； 地表沉陷 中图法分类号 T D 3 2 文献标识码 A 由于开采地质条件 的复杂性 ， 煤层 开采将 引起岩 层和地表连续的移动 、 变形和非连续破坏 ， 特别是随着 采深的逐渐增加， 开采沉陷问题越来越突出， 对矿井安 全生产带来 了严重影响。作者针对南桐矿务局南桐煤 矿二井三区深部开采的实际情况 ， 运用 F L A C程序对 南桐煤矿开采岩移基本规律、 矿山压力分布规律和地 表移动变形规律进行 了数值模拟研究 ， 这对于南桐煤 矿和具有相似条件矿井的“ 三下” 采煤具有指导作用。 1 研究区域概况 南桐煤矿二井三区主要产煤地层为上三叠系须家 河组和上二叠 系龙潭组 ， 龙潭组 的 4 、 5及 6号煤层为 南桐煤矿的主采煤层 ， 5 号煤层较薄， 4 号和 6 号煤层 较厚 ， 平均厚度在 1 I l l 以上 ， 部分地区可达到 3 m， 煤层 倾角为 3 5度左右， 平均采深为 5 0 0 m。二井三区采用 走 向长壁采煤 法， 采空区采用全部垮落法管理顶板。 采区内地质构造较多， 溶洞较发育， 地下水丰富。节 理 、 裂隙发育， 断层多。南桐煤矿煤岩层力学参数如表 1 所示 。 表 1 南桐煤矿岩石力学参数 2 数值模拟研究 F L A C C 1 J 是 F a s t L l l l g i a r l A x t a l y s i s o f C o n t i n u a的缩 写， 可译 为连续 介质 快速 拉 格 朗 日分析 ， 它 由美 国 I T A S C , 咨询集 团于 1 9 8 6年研制推出。F L ． C是一 种 显式有限差分程序， 它在数值计算格式中采用的是动 态方程， 其目的是确保当所模拟的物理系统不稳定时， 数值计算仍然是稳定的， 这便使 F L A C程序特别适用 于模拟岩土类非线性材料的几何大变形问题， 因而它 在各类岩土 工程中都 有可喜 的应用。F L A C采用的是 收稿 日期 2 0 0 1 0 4 1 5 基金项目 教育部高等学校骨干教师和优秀青年教师教学科研奖励计划资助项 目 2 O 0 0 年 作者简 介 尹光志 1 9 6 2 一 ， 男 ， 四川西 昌人 ， 博士 、 教授 、 博士 生导师 ， 主要从事采矿工程与岩石力学方面的教学和科研工作。 第2 4 卷第5 期 尹光志 等 南桐煤矿开采岩移规律的数值模拟 6 3 显式方法求解策略， 不用求解繁杂的联立方程组 ， 即其 控制方程中的诸导出量都可以用 由场变量构成的代数 表达式来描述 ， 且无须规定各个场变量在单元内的变 化模式 。 F L A C分别提供了各向同性和宏观各 向同性材料 线弹性模 型 、 M o h r C o u l o m b和 D u c k e r 一 n g e r 模型 、 应变软化和双屈服模型以及修正的 C a nc l a y 模型等 等 ， 此外 ， 它本身 自带的程序设计语言还可以用来构造 新的模型 。作者采用 F L A C程序对深部开采的岩移 规律 、 矿 山压力分布规律和地表移动变形规律进行了 数值分析。 2 ． 1 有限差分格式 ． 1 ． 1 早数 的 表 示 m【 d 】 ㈩ 式 中 为矢量或张量 为位置矢 量分量 ； 为积分 区域 ； d 为弧长增量； ／ 1 ． 为垂直于 d 5 的单位法线分量c 2 ． 1 2运动 方程 式 P[ 篝] 鲁 P g 2 式中 。为密度； 为应力张量； “ 为速度； g 为体力 分量 ； 为时间 对于某一受随时间变化的力 F作用的 某质量体 的运动方程式 3 a tm ⋯ 可以用包含半时间步长的速度的中心差分格式来求 解。 其加速度可 以写为 a “ 一 “ 。 ” ， 、 △f ⋯ 将 4 式代人 3 式得 “ 础以 “ F⋯／ m] △ 5 2 1 3 应 变增量 方程式 在增量形式 中， 应变张量为 l [ 8 U l 6 式中 ．． 为应变增量张量； “ ． 为i 向速度分量； 为i 向坐标分量 ； At 为时间步长。 2 ． 1 4计算循环 E L 4 C的计算循环如图 1 所示 根据南桐煤矿 的开采地质条件 ， 选取本次模拟 的 本构模型为符合奠尔 一库仑准则的弹塑性材料模型。 有限差分计算模型及其边界条件 见图 2 。 主要几何参 数依据开采地质条件和开采方案， 考虑岩体移动范围 而定， 约束条件是左右边界水平约束 ； 地表为 自由边 圆 ， 图 l 每个时步的计算 循习、 界； 底面铅垂约束 ， 模型模拟范围为 从地表起 5 0 0 m 的采深 ， 沿煤层走向1 2 0 沿煤层倾向6 0 0 m。 模拟范 围内地表属山区地带。 模型网格的划分在煤层， 顶底板 附近和地表较密集 ， 其它地方较稀疏。 模型采用等参 四 边形单元 ， 共划分为 1 6 0 0个单元， 1 6 8 1个结点。 F L A C 计算所得的应力矢量见图 3 ， 水平应力 ， 铅垂应力和剪 切应力等值线如图4 ， 图5 和图 6 水平移动和下沉量等 值线见图 7和图 8 ； 下沉移动速度等值线如图 9 。 ＼ 、 、 、 二 、 、 ’ 、 、’ 、、 、 、 ～ ＼ 、、 、 、 、 ～ 、 ＼ 、、 ＼ 、 、＼ 、 ＼ ＼ 、 ＼ 一 、＼ ＼ ‘ ＼ ＼ 、 _ 、 、 、 、 ＼ l 、 、 _ 、 ] 、 、 ＼ ＼ 、 l、 二 ＼ ． 、 、 、 、 、 I I I] l l I I I 图 2 计算模型网格划分和边界条件 圈 3 计算区域主应力矢量 分布 重庆大学学报 自然科学版 2 o o 1 ． 图 4 计算 区域水平应力分布等值线 3计算结果分析 根据数值模拟结果可以看出， 随着工作面的推进 ， 顶板在上覆岩层载荷和 自重作用下 开始变形 ， 块体产 生向采空区方向的位移 。 在开采初期， 工作面下部位移 比上部大。 随着开采的推进， 直接顶在下部和上部岩体 处开始被拉断， 并向采空区方向有显著的位移 。 当采空 区范围进一步扩大 ， 顶板和上覆岩层的位移继续增加。 这种趋势发展到地表后 ， 就形成地表移动下沉盆地。 移 动盆地上山方 向的影响范围 比下山方 向的影响范围 小， 上山部分的下沉曲线比下山部分的下沉曲线陡。 最 大下沉点位置向下山方向偏离。 同时， 指向上山方向的 水平移动值逐渐增大 ， 而指 向下 山方向的水平移 动值 逐渐减小。 在中下部的直接顶基本接底， 上部 由于煤壁 支撑而发生回转运动时 ， 顶板局部 由于下沉速 度不等 而出现离层。 随着采空区范围的进一步扩大 ， 顶板开始 大面积冒落。 直接顶冒落后， 岩层运动波及到裂隙带岩 层， 使岩层出现了整体沉降， 裂隙带岩层仍以节理与层 面的剪切滑移为主要破坏形式。 采空区基本冒落后， 下 部冒落矸石在上覆岩层压力作用下逐渐压实， 岩块间 的错动加大， 冒落拱逐渐形成， 且冒落高度仍在扩展， 整个岩层系统仍处于运动之中。 随着时间的推移， 冒落 拱和裂隙带逐渐形成 ， 岩层趋于稳定。 采空区下部被冒 落矸石充填并被压实， 冒落带中一些原已离层或彼此 脱离力学联系的部分又被压实。 从采空区向两侧煤体， 底板应力逐渐增加。 在工作面两侧煤体， 随深度增加垂 直应力急剧下降， 到达一定距离后， 下降梯度变缓。 在 工作面两侧煤体下方， 垂直应力等值线呈倾 向于煤体 的“ 泡” 形分布 ， 如图5所示 ， 在煤体两侧煤体下垂直应 力等值线略有差异， 下山方向的集中程度略高， 影响范 围略大。 顶底板应力峰值并不对称， 分别向上山和下山 方向偏移。 由于采空区减弱了重 力场 向煤层 底板 的传 播， 在工作面两侧形成了比原岩应力高得多的支承压 力区， 见图 5 。 初次垮塌前后 ， 采场上覆岩层 以梁结构 的形式作用在采空区上方。 在直 接顶的中部和上下煤 壁处均出现拉应力， 如图 5和 图 6 ， 这是导致直接顶 冒 落破坏的主要原因。 从主应力的方向看， 最大主应力方 向基本是环绕采空区的 ， 如图 3 。 采空 区下部底板处 于 卸压状态 ， 且卸压深度较大 。 而在两侧煤体的下部底板 应力却是升高的 。 除 了采场上覆岩层载荷通过力学 结构传递外 ， 还包括由于倾 角而产生的切 向载荷和采 深加大的综合作用。 由于 上覆岩层的作用 ， 造成 冒落矸 石又被重新压实， 在压实过程中采空区冒落矸百中的 应力也有局部升高 ， 这是应力重新分布的结果， 且压实 处的集 中应力在底板岩层 中也有一定深度的传递， 见 图 5 ， 图 6和 图 7 。 图 5 计算 区域垂直应力分 布等值线 图6 计算区域剪切应力分布等值线 图 7 计算 区域水平移 动量等值线 第 2 4 卷 第 5期 尹光志 等 南桐煤矿 开采岩移规律 的数值模拟 在围岩运动趋于稳定后 ， 垂直应力的主要特征是 在上下煤体附近应力高度集中， 底板的最终卸压范围 是半个椭圆形， 其长轴与主节理方向一致， 上侧煤体支 撑压力峰值低于下侧煤体支撑压力峰值。 随着采场上 覆岩层 的运动 ， 采空区冒矸石的压实 ， 围岩应力有所调 整． 最终趋于稳定 的应力值 。 根据现场测试下沉速度曲 线可将地表移动过程划分 为初 始阶段 ， 活跃阶段 和衰 减阶段 ， 并且这 3个阶段是周期性往复出现的 。 在采 空区未垮之前， 底板点的应力值基本上是直接底岩层 的自重 ． 见图6和图 7 ， 但当直接顶冒落以后 ， 在上覆岩 层的载荷作用下 ， 其 应力急剧增 加， 局部超过原岩应 力。 随着 围岩运动的稳定 ， 上覆岩层力学 结构趋于平 衡 ， 底板应力又逐渐减少 ， 最终趋于稳定 ， 且都低于原 岩应力 从底板应力的分布可以看出， 煤体下方的应力 反映了作用在工作 面两侧煤体之上 的支撑压 力的变 化， 而采空 区下的底板应力 则反映了 冒落矸石及其上 覆岩层的运动与变化 。 因此 ， 底板应力也是揭示采场围 岩运动规律的一个重要方面。 图 8 计算 区域 下沉 量等值线 图9 计算区域下沉移动速度等值线 4结 论 1 南桐煤矿主要影响半径为 1 9 5 r a ； 拐点偏 移距 为 2 0 m； 边界角为 5 3 。 ； 移动角为 5 8 。 ； 开采影 响传播角 为6 9 。 ； 冒落带高度为3 7 m ； 裂隙带高度为8 4 ． 2 m ； 地表 移动波及范围在采区上方太于 6 0 0 m。 2 初移时移动盆地成近似半对称分布状态， 随着 工作面的推进 ， 移动盆地的非对称 胜越来越明显。 南桐 煤矿的下沉 曲线 向下山方向偏移 ， 当推进长度达到f 临 界长度时 ， 移动盆地的非对称性也趋 向稳定 。 南桐煤矿 水平移动最大值为 3 1 0 ll l ／ n ， 是水平移动总量 的 7 1 ％， 南桐煤矿水平变形最大值为 0 ． 2 r m r d m。 3 南桐煤矿上 山方向的影响范 围比下山方向的 影响范围小 ， 上山部分的下沉 曲线比下山部分的下沉 曲线陡。 南桐煤矿煤层开采时， 指向上山方向的水平移 动值逐渐增大 ， 而指 向下山方 向的水平移动值逐渐减 小 最大拉伸变形在下山方向， 最大压缩变形在上山方 向。 4 岩体移 动过程可 以分为初始 阶段 ， 活跃阶段 危险变形 阶段 ， 衰减阶段 ， 随着开采工作的进行 ， 3 个阶段将会循环 出现。 通过对南桐煤矿二井三区的数值模拟研究， 弄清 了南桐煤矿深部开采的岩移基本规律、 矿山压力分布 规律和地表移动、 变形的基本特征 ， 为现场采掘工作提 供了科学依据。 此外 ， 由于南桐煤 矿的矿井涌水量较 大 ， 经常威胁正常生产 ， 本文的部分成果对南桐煤矿顶 板裂隙突水 的预测和防治具有指导作用。 参考文献 L1 ] F L c一3 D F a s t L a a r I ． m a l y s i s o f C o t m a ， V e r s i o n 2 [ 2 ] [ 3 ] [ 5 j [ 6 ] [ 7 ] 8 l 9 ] 0 ， U s e r ’ s M a n u a l S J U S A I t a s c a C o mu l t i n g ．I n c， 1 9 9 7 孙钧 世纪之交的岩石力学研究[ C j中国岩石力学与工 程学 会第五次学术大会论文集 ， 1 9 9 8 ， 1 1 6 蒋字静 三峡永久船闸闸室及高陡边坡变形与应力分布 的 F L A C 一3 D数值分析研究报告 R j ． 同济大学， 九州大 学合作研究论文， 1 9 9 8 钟道吕 采场覆岩破坏和运动规律的实验研究 J ] ． 矿山 压力与顶板管理 ， 1 9 9 6 ， 3 6 1 6 4 ． 杨伦 ． 煤矿覆岩采动离层位置的计算[ 盯． 煤炭学报， 1 9 9 7 ， 丑 5 4 ． 7 7 4 8 0 ． 王金庄． 地表下沉盆地偏态形成的机理分析[ J ]煤炭学 报 ， 1 9 9 9 ， 2 4 3 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o n i n N a n t o n g mi n e ，nAC p r o g r a m a r e c a r r i e d o u t f o r s t r a t a r n o v e me n t ，g r o u n d p r e s s u r e a n d s u rfa c e d i s p l a c e me n t d u e t o c o a l e x t r a c t i o n．Ba s e d o n t he an a l y s i s o f Nan t o n g mi n e，the b a s i c a t u r e s 0 f 量 l r a t a m州e me n t ，the f u n d a me n t a l b e h a v i o r o f g r o u n d p r e s s u r e a n d the r e l a t e d p a r m n e t e r s o f s u rf a c e d i s p l a c e me n t a r e 0 b ta i n e d T h e r e s u l t s a l e o f r e f e r e n t i a l v a l u e f o r mi n i n g Ke y wo r d s n u r r r i e a l s i mu l a t i o n ；FL I C，s t r a t a mo v e me n t 上接第 6 l 页 s u pp o r t i n g an d p r e v e n t i n g o f s u rfa c e d i s p l a e e x n e n t s u rf a c e d i s p l a c e me n t 、 p， ， ， 责任编辑钟学恒 Di g i t W e i g h t a n d De v e l o p m e n t o f a Vi r t ua l No i s e An a l y z e r Y A N G C h a n g - q i ，QIN S h u - r e n ，Z H A N G Y u e -j u n 1 C o l l e g e r e s o u r c e and e n v i r o n man t s c i e n c e ， C h o n g q i n g U n i v e r s i “ ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 4 ， C h i n a 2 ． C o l l e g e o f M e c h a n i c a l E n g i n eer i n g ，C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ， C h o n g q i n g 4 0 0 o 4 4 ， C h i n a Ab s a d1 hd i d 0 r 1 a l n o i s e o c t a v e a n a l y zer s c o n s i s t o f f d t e r n e t w o r k a n d w e i g h t n e t w o r k b a s e d o n h a r d ． a r e I n o r d e r t o rea l i z e a m s e 0 c t a v e a n a l y s i s b y s o f t w a r e ，a d i o t ． -e i g h t m e thod b ase d O i l F F Y i s p r o o , a ． U s i n g the m e th o d t d i g i t w e i ght and d i g i t s v s t e r n e n w 啪 d mc a t i 0 n f o r v i r t u al n o i s e o c t a v e a n al y z e r c a n b e r e a l i z e d B e v a u s e o f d i o t w e i ght a n d d i g i t s y s t e m e r D o r mD d 访c a Ⅱ o n．D r e c i s i 衄 and s t a b i l i o f the i n s t r u m e n t c a n b e i m p rov e d g r e a d y ．A s an a p p l i c a t i o n， w h i c h c o mb i n e s the me tho d o f d i g i t w e i ght w i t l 1 th e t e e a n i q u e o f d i g i t s y s t e m e l T o r m o d i fi c a t i o n ， a l o w c o s t and h i gh p r e c i s i o n v i r tu a l r e a l t i m e n o i s e o c ta v e an aly z er i s d e v e l o p e d． Ke y wo r d sNo i s e me a s u r e man t ；Vi r t u a l i ns mml e n t ；Di g i t we i g h t ；F 丌 责任 编辑钟学恒