井下地质构造受采动影响下的力学响应分析.pdf

扫码移动阅读 第 ４１ 卷 第 ３ 期 ２０２０ 年 ６ 月 煤矿机电 Ｃｏｌｌｉｅｒｙ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ＆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ.４１ Ｎｏ. ３ Ｊｕｎ. ２０２０ 范慧琪. 井下地质构造受采动影响下的力学响应分析[Ｊ]. 煤矿机电ꎬ２０２０ꎬ４１３６６￣６７ꎬ７１. ｄｏｉ１０. １６５４５/ ｊ. ｃｎｋｉ. ｃｍｅｔ. ２０２０. ０３. ０１９ 井下地质构造受采动影响下的力学响应分析 范慧琪 山西潞安集团 潞宁孟家窑煤业有限公司ꎬ 山西 忻州 ０３６７００ 摘 要 井下地质构造对矿产开采影响很大ꎮ 分析了断层的构造力学模型及受力机制ꎮ 针对断 层这一常见的地质构造形式ꎬ以潞安某矿为背景ꎬ建立了离散元模型ꎬ研究了工作面推采下断层及 巷道围岩的力学响应ꎮ 研究结果表明ꎬ在采动影响下ꎬ断层面上正应力和切应力基本呈线性增长ꎬ 且正应力增率明显ꎻ在工作面推采完毕后ꎬ至断层露头竖直距离小的测点处岩体有向下滑动趋势ꎬ 竖直距离较大处的断层面岩体有向上滑动趋势ꎮ 关键词 地质构造ꎻ 采动影响ꎻ 力学响应ꎻ 数值模拟 中图分类号ＴＤ３２３ 文献标志码Ａ 文章编号１００１ －０８７４２０２００３ －００６６ －０３ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｙ Ｍｉｎｉｎｇ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ＦＡＮ Ｈｕｉｑｉ Ｌｕｎｉｎｇ Ｍｅｎｇｊｉａｙａｏ Ｃｏａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏ. ꎬ Ｌｔｄ. ꎬ Ｓｈａｎｘｉ Ｌｕａｎ Ｇｒｏｕｐꎬ Ｘｉｎｚｈｏｕ ０３６７００ꎬ Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｈａｓ ａ ｇｒｅａｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｍｉｎｅｒａｌ ｅｘｐｌｏｉｔａｔｉｏｎ. Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｆａｕｌｔｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ａｎａｌｙｚｅｄ. Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒｍ ｏｆ ｆａｕｌｔｓꎬ ａ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｏｆ ａ ｍｉｎｅ ｉｎ Ｌｕａｎ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｆａｕｌｔｓ ａｎｄ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｏｆ ｒｏａｄｗａｙｓ ｕｎｄｅｒ ｍｉｎｉｎｇ. Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇꎬ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｐｌａｎｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｌｉｎｅａｒｌｙꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｒａｔｅ ｏｆ ｎｏｒｍａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｗａｓ ｏｂｖｉｏｕｓ. Ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｍｉｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄꎬ ｔｈｅ ｒｏｃｋ ｍａｓｓ ｔｅｎｄｓ ｔｏ ｓｌｉｄｅ ｄｏｗｎｗａｒｄ ａｔ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｗｉｔｈ ａ ｓｍａｌｌ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｏｕｔｃｒｏｐꎬ ａｎｄ ｕｐｗａｒｄ ａｔ ｔｈｅ ｆａｕｌｔ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｃｋ ｍａｓｓ ｗｉｔｈ ａ ｌａｒｇｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｓｔａｎｃｅ. Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎻ ｍｉｎｉｎｇ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅꎻ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｒｅｓｐｏｎｓｅꎻ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ０ 引言 煤矿井下地质构造复杂ꎬ其中断层是矿产开采 过程中常见的一种地质构造ꎮ 断层破坏岩层的完整 性和连续性ꎬ被视为影响矿产安全开采的重要因素 之一[１￣２]ꎮ 在含有断层的井下条件中ꎬ采掘可能造 成冲击地压、矿井突水、地表台阶式下沉等灾害[３]ꎮ 文献[４]利用声发射监测与采场应力监测系统ꎬ研 究了义马矿由于开采造成断层活化前后的采场顶底 板矿压显现规律ꎮ 文献[５]利用数值模拟ꎬ研究了 断层倾角、煤柱留设宽度对断层滑移的影响ꎮ 本文 简述了断层力学模型ꎬ并利用离散元软件模拟了井 下断层地质受工作面推采的影响ꎮ １ 断层力学模型 以断层走向所在面为剖面ꎬ取位于断层上盘且 与断层下盘接触的微三角形单元为研究对象ꎬ建立 如图 １ 所示的力学模型ꎮ 对所选单元进行受力分析ꎬ有[６] Ｆｘ＝ σＶｃｏｓ θｓｉｎ θ － σＨｓｉｎ θｃｏｓ θ － τｄｓ Ｆｙ＝ σＶｃｏｓ θｓｉｎ θ － σＨｄｓｓｉｎ θｃｏｓ θ ＋ σｄｓ τ≤σｔａｎ φ ＋ ｃ １ 图 １ 断层滑移力学模型 式中Ｆｘ为单元沿 ｘ 方向合力ꎻＦｙ为单元沿 ｙ 方向 合力ꎻｄｓ 为单元体与断层下盘的接触面积ꎻφ 为断层 面岩体的内摩擦角ꎬꎻｃ 为断层面内聚力ꎬＭＰａꎬ由于 通常断层面岩体破碎ꎬ取 ｃ ＝０ꎮ 由于断层上下盘的限制ꎬ所选单元体只能沿断 层面滑动ꎬ则有[７] Ｆｙ＝ σ － σＶｃｏｓ θｓｉｎ θ － σＨｄｓｓｉｎ θｃｏｓ θｄｓ ＝０ τ ＝ σｔａｎ φ ＋ ｃ { ２ 从式１、式２看出ꎬ当 Ｆｘ０ 时ꎬ单元体有向 上移动的趋势ꎻ当 Ｆｘ０ 时ꎬ单元体有向下移动的趋 势ꎮ 因 ｄｓ 非负ꎬ故断层滑移主要受断层倾角、断内 摩擦角及内聚力影响ꎮ 当断层物理力学参数已知 时ꎬ则其所受竖直、水平应力影响ꎮ ２ 断层构造数值模拟实例分析 ２. １ 断层面数值模型 以潞安某矿所处的断层构造为背景ꎬ建立离散 元模型ꎬ模型使用摩尔库伦本构ꎮ 模型的长 高 ＝ ３００ ｍ １４０ ｍꎬ开采的煤层厚 ４ ｍꎬ巷道位于煤层 中ꎮ 断层倾角 ６０ꎬ落差 ５ ｍꎬ断层带宽度 ４ ｍꎬ建立 的数值模拟模型见图 ２ꎮ 模型中岩层物理力学参数 见表 １ꎮ 图 ２ 数值模型 巷道左侧与断层之间留２５ ｍ 煤柱ꎬ工作面从距 巷道右帮 １０５ ｍ 处向右推进ꎬ第一阶段推进 ７０ ｍꎬ 第二阶段分 ３ 次共推进 ３０ ｍꎬ第三阶段推进 ５ ｍꎮ 模拟中从断层在基岩露头开始ꎬ沿断层面每隔 ２０ ｍ 高度方向上不止一个测点ꎮ 令测点至断层露 头竖直距离为 ＬꎬＬ 取值为 ０、２０、４０、６０、８０、１００、１２０ 表 １ 模拟中采用的材料物理力学参数 岩层 内摩擦 角/ 内聚力/ ＭＰａ 抗拉强 度/ ＭＰａ 体积模 量/ ＧＰａ 剪切模 量/ ＧＰａ 砂岩３４２.０２.５６.２６. ５ 泥岩２７１.６１.８８.４５. ９ 煤２５１.２１.１７.１５. １ 泥岩２７１.６１.８８.４５. ９ 细砂岩２０１.０２.１４.８３. ６ 粉砂岩２６１.９３.１５.９６. ７ 中砂岩３０５.２３.４２.５４. ０ ｍꎮ 在巷道顶底板及两帮中点处布置测点ꎮ ２. ２ 断层面应力特征分析 根据监测所得断层面水平与竖直应力ꎬ可得断 层面正应力和切应力ꎬ如表 ２ 所示ꎮ 表 ２ 断层面水平应力与竖直应力数值表 Ｌ/ ｍ水平应力/ ＭＰａ竖直应力/ ＭＰａ ００.０９３ ５０.０８４ ９ ２０１.６６７ ０１.４３８ ０ ４０３.５１５ ０２.８４０ ０ ６０４.７５４ ０４.０４０ ０ ８０６.３１２ ０５.４１３ ０ １００７.７４０ ０６.４３０ ０ １２０９.４１０ ０８.１１４ ０ 图 ３ 是根据表 ２ 计算得到的断层面正应力、切 应力值随测点至断层露头的竖直距离的变化趋势 图ꎮ 由图 ３ 看出ꎬ正应力和切应力均呈线性ꎬ但正应 力的变化趋势比切应力的变化趋势明显ꎮ 这是因为 断层面上的正应力与切应力主要取决于岩体弹性模 量ꎬ而断层带岩体弹性模量相差较小ꎮ 图 ３ 断层面应力与至断层露头垂直距离的关系 ２. ３ 断层面滑移结果分析 将监测数据代入式１、式２ꎬ可计算出各监 测点上沿断层面方向的合力 Ｆｘ如表 ３ 所示ꎮ 表 ３ 各测点值 测点１２３４５６ Ｆｘ/ ｋＮ－２７０２２０７５０１ ２００１ ７２０２ ０８０ 下转第 ７１ 页 􀅱７６􀅱２０２０ 年第 ３ 期范慧琪井下地质构造受采动影响下的力学响应分析 ２７ＳｉＭｎ 钢管可实现公称 ４０ ＭＰａ 长距离供液的稳定 性ꎬ其最大实验压力高达 ７０ ＭＰａꎬ安全系数可达 ４ 倍以上ꎬ管道设计寿命可达１０ ａꎬ综合使用成本比高 压胶管的低ꎮ 故选用 ϕ１０８ １０ 钢管一趟供液、 ϕ１０８ １０ 一趟回液[８]ꎮ 在距离工作面 ２００ ｍ 处ꎬ改 用高压胶管供液ꎬ以更好地在顺槽超前支护段进行 管路布置ꎮ 乳化液进液管路工作压力 ３７. ５ ＭＰａꎬ回液管路 压力１６. ０ ＭＰａꎬ清水管路工作压力１６. ０ ＭＰａꎮ 钢管 采用液压支架 ２７ＳｉＭｎ 无缝钢管液压专用ꎬ钢管 间采用 Ｓ１９Ｃ/１９Ｔ 超高压机械头连接[９]ꎮ 钢管须经 磷化、防腐、防静电等处理ꎮ 管道每１００ ｍ 设有专用 截止阀沟槽式闸阀、安全阀及耐震压力表ꎮ 安全 阀和压力表通过沟槽式三通联接ꎮ 管路转弯处需经 长半径小角度弯头或万向弯头过渡ꎬ以适应高压管 路的需要[１０]ꎮ ３ 结论 根据远距离供液管路沿程压力损失计算结果ꎬ 确定了远距离供液泵站配置方案和传输管路布置方 案ꎬ可实现对乳化液泵和喷雾泵等设备的集中控制ꎮ 远距离供液系统能切合新窑煤矿现场实际ꎬ满足矿 井减人提效、安全高效开采的要求ꎬ具有很好的推广 应用价值ꎮ 参考文献 [ １] 李立军ꎬ李峰ꎬ王振江ꎬ等. 综采远距离供电供液方案的设计 与应用[Ｊ]. 煤矿安全ꎬ２０００１２２１￣２２. [２] 庞义辉. 大采高综放工作面远距离供液供电技术[Ｊ]. 煤炭工 程ꎬ２０１７ꎬ４９１１１７￣２０. [ ３] 朱屹生ꎬ朱敏ꎬ丁凯ꎬ等. 采煤工作面远距离供液电系统研 究与应用[Ｊ]. 科技创新与应用ꎬ２０１３３３２１￣２２. [ ４] 边小科ꎬ包彦明ꎬ程建胜. 综采工作面超远距离供电及供液技 术的研究与应用[Ｊ]. 煤矿机械ꎬ２０１８ꎬ３９１１１２５￣１２７. [ ５] 唐鑫. 浅谈综采工作面乳化液使用规范管理和远距离供液方 案[Ｊ]. 科技创新导报ꎬ２０１７ꎬ１４２９６８. [６] 郑宝禄. 采煤工作面远距离供液系统的可行性研究[Ｊ]. 机械 管理开发ꎬ２０１５ꎬ３０４１０￣１１. [７] 许艳萍. 大采高工作面远距离供液研究与应用[Ｊ]. 机械管理 开发ꎬ２０１７ꎬ３２１２７１￣７２. [ ８] 贾民ꎬ田涛. 综放工作面超远距离供电供液应用[Ｊ]. 中国科 技信息ꎬ２０１２１６８０￣８１. [９] 李占平. 综采工作面远距离供电供液系统设计与应用[Ｊ]. 煤 矿开采ꎬ２０１２ꎬ１７３２８￣２９. [１０] 陆幼鲁. 复杂条件下综采放工作面远距离供电供液系统研 究[Ｊ]. 煤矿现代化ꎬ２０１２６７５￣７８. 作者简介张健１９７６ꎬ男ꎬ高级工程师ꎮ ２００９ 年毕业于西安科 技大学ꎬ现主要从事煤矿机电技术管理工作ꎮ 收稿日期２０１９ －０７ －２８ꎻ责任编辑贺琪 􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖􀤖 上接第 ６７ 页 从表 ３ 看出ꎬ工作面推进结束后ꎬ至断层露头竖 直距离小的测点处岩体有向下滑动趋势ꎬ竖直距离 较大处的断层面岩体有向上滑动趋势ꎮ 这是因为工 作面在断层上盘ꎬ上盘岩体有向采空区偏移的趋势ꎬ 同时断层下盘岩体对断层面岩体产生反力而导致断 层面上部岩体受拉ꎬ下部岩体受压ꎮ ３ 结论 本文简述了矿井下断层构造的力学模型ꎬ分析 了其力学响应机制ꎻ利用离散元软件模拟了井下断 层构造在采动影响下的力学响应ꎬ得出结论 １ 断层面上正应力和切应力基本呈线性增长ꎬ 且正应力增率明显ꎮ ２ 工作面推采完毕后ꎬ至断层露头竖直距离小 的测点处岩体有向下滑动趋势ꎬ竖直距离较大处的 断层面岩体有向上滑动趋势ꎮ 参考文献 [１] 李志华ꎬ窦林名ꎬ陈国祥ꎬ等. 采动影响下断层冲击矿压危险性 研究[Ｊ]. 中国矿业大学学报ꎬ２０１０ꎬ３９４４９０￣４９５. [２] 李青锋ꎬ王卫军ꎬ彭文庆ꎬ等. 断层采动活化对南方煤矿岩溶突 水影 响 研 究 [ Ｊ]. 岩 石 力 学 与 工 程 学 报ꎬ２０１０ꎬ２９ Ｓ１ ３４１７￣３４２４. [３] 姜耀东ꎬ王涛ꎬ赵毅鑫ꎬ等. 采动影响下断层活化规律的数值模 拟研究[Ｊ]. 中国矿业大学学报ꎬ２０１０ꎬ４２１１￣５. [４] 赵善坤. 采动影响下逆冲断层“活化”特征试验研究[Ｊ]. 采矿 与安全工程学报ꎬ２０１６ꎬ３３２３５４￣３６０. [５] 徐晓慧ꎬ吕进国ꎬ刘闯ꎬ等. 采动影响下逆断层特征参数对断层 活化的作用规律[Ｊ]. 重庆大学学报ꎬ２０１５ꎬ３８３１０７￣１１５. [６] 陈国祥ꎬ郭兵兵ꎬ窦林名. 褶皱区工作面开采布置与冲击地压 的关系探讨[Ｊ]. 煤炭科学技术ꎬ２０１０ꎬ３８１０２７￣３０. [７] 陈国祥ꎬ窦林名ꎬ乔中栋ꎬ等. 褶皱区应力场分布规律及其对冲 击矿压的影响[Ｊ]. 中国矿业大学学报ꎬ２０１８６７５１￣７５５. 作者简介范慧琪１９９１ꎬ男ꎬ助理工程师ꎮ ２０１４ 年毕业重庆大 学地质工程专业ꎬ现主要从事煤矿地质方面工作ꎮ 收稿日期２０１９ －０７ －０１ꎻ责任编辑贺琪 􀅱１７􀅱２０２０ 年第 ３ 期张健等新窑煤矿工作面远距离供液可行性研究