煤层开采底板破坏深度的动态模拟.pdf

煤层开采底板破坏深度的动态模拟 第六图书馆 本文运用ADINA有限元程序对薄煤层厚1.15m开采后底板岩体的破坏深度进行了数值模拟,探讨了断层对破坏深度的影响,其计算结果 与地质雷达探测结果是一致的,可作为底板突水预测预报的依据。本文运用ADINA有限元程序对薄煤层厚1.15m开采后底板岩体的破 坏深度进行了数值模拟,探讨了断层对破坏深度的影响,其计算结果与地质雷达探测结果是一致的,可作为底板突水预测预报的依据。 ADINA 动态模拟 底板破坏深度 煤层 采煤矿山压力与顶板管理冯启言 陈启辉中国矿业大学1998第六图书馆 第六图书馆 7 ／ 煤层开采底板破坏深度的动态模拟 中国矿业大学 i 陈启辉 播要奉吏运用A[ 有限元程序对薄煤层 厚 1 ． 1 5 m开采后底扳岩体的破坏深度进 行 了数值模拟 ， 探讨了断层对破坏 深度的影响 t 其计算蛄果与地质雷达挥 翊 { 结果是一致的 ， 可 作南底扳 突术预测预报 的依据 关黼A D I N A 一 1 引言 煤层开采后底板发生变形破坏 ，主要是 由于开采空间周围的支承压力向底板内部传 递的结果 。随着煤层的开采，煤层采空区形 成后 ，在煤壁前方形成应力集 中，该处的底 板岩体受力压缩，工作面推过后 ，应力突然 释放，底板膨胀，随着顶板 冒落 ，采空区受 冒矸压密 ，在工作面后方又恢复到原始地应 力状态 有限元数值模拟法利用时间步控制 被开采煤层单元内部应力与变形位移之问的 关系，通过岩体本构关系和屈服准则来判别 底板单元的力学状态，根据塑性区及拉裂区 确定底板破坏深度。 2 杨村煤矿l 7 煤旱 磺底扳岩体模型 2 ， 1 杨树煤矿水文地质概 况 杨村煤 矿 2 6 0 2工作面 1 7煤层 赋存稳 定， 煤层水平 ， 平均厚度为 l 、 1 5 m。 第四系松 散层厚1 6 “} m左右 1 7 煤到奥灰有8 层岩层， 第 ， 幂 其中有 1 2灰岩、1 3灰岩和 1 4灰岩都为含水 层， 灰岩之间都有不同厚度 的砂泥岩阻隔， 上 述三层灰岩含水量不大 ， 主要对 1 7煤层开采 造成威胁的是奥灰水，奥灰距 1 7煤约 4 0 m， 水头压力 3 ～3 ． 5 MP a 2 ． 2】 7煤层 顶底 板 岩 体模 型 整个有限元模型由 1 3层岩土材料组成， 模型沿走向长度 为 2 5 0 m， 高 8 0 、 1 5 m。 据钻孔 岩石力学指标测试报告选取各材料，由下向 上的计算参数见表 1 。 无断层模型有限单元的划分按照实际开 采的情况及计算精度要求 ，划分成 7 0 1个单 元， 共赢 2个结点， 模型左右边界固定， 垂 直芹向 自由，底部边界 固定．上边界为自由 边界 。在模型底部施加均布载荷作为模拟奥 灰的高承压水值 3 ． O M P a 。 顶部按上覆岩重 施力 1 6 7 m 。为准确确定底板破坏深度 ， 在 模型底部单元划分进行了加密。 结合工作面的实际地质条件 ，主要考虑 了断裂深度和落差及断层不周位置等因索， 1 用人工神经元网络预测覆岩破坏高 度，反映 了应用当代最新技术成就 。 2 “ 覆岩破坏高度预测工人神经元网络 模型”能较全面地综合影响 两带”发育高 度因素，克服传统数学方法的缺陷，从而具 有精确度高，实用性强等优点。 3 由于 “ 网络”具有 自学能力，还 可 增加掸本，扩展其应用范围。 V 参考文献 1 周继成工神经网络．科学普及出版杜，1 9 9 3 2谭云亮回采 巷道分类指标的神经网络娄 聚分 折 岩石力学 与工程学报，1 9 9 5 ．B 责任编辑晓 南 矿山压力与磺板 管理 慨， ， ， 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 衰 1 计算横型岩层力学性质参数衰 客 重 弹 横 抗拉强度 岩性 泊橙 比 k ／ W ／ m f ， ／ MPa 泥岩 2 5 4 1 3 8 0 0 ． 2 8 O 2 3 O 1 4灰 2 8 8 3 5 0 O ． 2 1 0 ． 2 6 7 坭岩 O 2 8 1 3灰 2 5 8 3 6 0 0 ． 2 1 0 ． 2 7 2 铁质泥岩 1 8 1 0 0 2 9 0 2 3 2 1 2灰 2 ．5 9 7 2 0 0 ． 2 3 6 泥岩 2 5 1 8 4 0 0 ． 2 l 2 糟砂岩 2 5 2 0 2 0 0 ． 2 5 0 ． 2 “ 1 7 2 1 1 3 40 0 3 l 0 1 9 3 髭者 2 5 l 昏 0 m 2 8 o ． 2 3 O 1 0 T赢 2 8 8 8 0 0 0 2 8 3 柑砂岩 2 5 3 2 1 0 0 ． 2 3 0 ． 2 6 1 砂岩 2 ．5 2 9 2 ,0 0 ． 2 0 ． 3 2 6 建立 了四个断层模型。 断层倾 角均为 8 O 。 ， 断 层厚度均为 0 ． 5 m， M1 、 ％ 模型的断裂深度为 ] O m， 、M． 模型均为 1 6 m，断层位置 MI 、 ％ 、 模型位于开切眼处 ； M‘ 模型位于距切 跟 3 4 m 处 模型计算沿走向左 饲 3 0 m开始开采，每 2 m计算 一 个时间步，将计算得利的 应力场、位移场与实际上覆 岩层、底板的力学参数综合 比较 -确定工作面的韧次束 压步距以及每时问步底板的 塑性破坏区、拉裂区，确定 底板的最太破坏深度，随后 在开采 中根据周期来压步距 对采空区进行充填，计算充 填后底板岩体的应力和位移 值 ．同时相应绘出底板的破 坏 区范围。 计算的结果表示底板塑性区形态为 “ 马 鞍形” ， 在紧靠煤层的采空区底板出现拉裂破 坏区，而在煤壁和附近的底 板是由于应力集 中形成压 、剪破坏。开采 后底板破坏深度不 断增加 ， 采空区宽 8 m 时 ， 底板 最大破坏深度 为 7 m，当开采到 1 6 m时 ，破坏深达到 1 1 m， 其中采空区中部为 7 m， 破坏范围也相应的扩 大，形态相似 。 在初次来压后 ，采用充填采空法模拟周 期来压过程，破坏范围不断扩大，但最大破 坏深度仅 l o re， 采空区由于顶板塌落压实 ， 使 采空 区的拉裂破坏减小 ， 深度为 5 r n ， 在以后 开采过程 中，最大破坏深度不会加大，但范 围不断扩大 3 ． 2 断层对底板破坏深度影响的模拟分析 3 ． 2 - 1 MI 模型开采过程底板破坏深度分析 1 由图 1 b可 以看 出， 当工作面距切眼 8 m时， 断层的存在， 使此时底板最大破坏深 度为 8 ． 5 m， 最大破坏深度发生在断层带附近 的岩层上。由于断层这个弱面的存在，使得 3 结果分析 3 ． 1 无 断层模 型 7 2 1 9 9 8 ． №3矿山压力 与珂 i 板菅理 6 图 1 底板破坏深度分布 a 无断层时{ b M1 模型 推进距 1 一a ml 2 一 l 6 m{3 3 0 mI 4 7 O m{5 --1 7 0 m 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 断层附 近破坏深度增 大 。其形 状 为 “ 马 鞍 形” ， 但在断层附近有一急痢的凸起形状 与 底板无断层相比，深度增加约2 1 ， 在水平 方 向破坏范围没有变化。 2 当煤层开采到初次来压时，在附加应力 和断层弱面的影响下 ， 底板破坏范围在扩大， 在断层附近的破坏深度为最大 ， 达 1 2 m。 而在 两 侧煤壁处仍 为 1 I m，由于断层厚度 只有 O ． 5 m，所 以还不至于影 响两侧的破坏深度 。 底板最大破坏深度与无断层条件相比，约增 加 1 O 。 3 当工作面继续推进 ，采空区被 冒矸 充填 ，当推进到 3 0 m处时 ，水平方 向的破坏 范围继续扩大 ， 而最大破坏棵度反而减小 ， 只 有 1 0 m， 与无断层时相同， 断层处的破坏深度 仅 7 I f 1 ，断层此时对最大破坏深度投有影响。 4 工 作 面 继 续 向前 推 进到 7 0 m 和 1 7 0 m处 ， 最大破坏深度没有变化，只是横向 破坏带范围随着扩大。 3 ． 3 2 M2 、 、M． 模型开采过程底板破坏 深度分析 、 、 模型开采过程底板破坏深度 的变化规律与上述模型相似 ，但断层处在不 同的位置，其破坏深度也不相 同，断层的断 裂深度对底板破坏深度有一定的影响 表 2 不同模型底 扳破坏深度 断层距切鼹 断层深度 量大破坏探度 模 型 无 断层 1 1 M l 1 0 1 2 M 2 l 0 l 1 M 3 l 6 l 4 M4 1 6 1 Z 通过上述模拟计算可知，在底板有断层 且位手初次来压的拉伸区对底板破坏影响很 大， 断裂深 1 O m 时， 其最大破坏深达 1 2 r n 。 当 斯裂深增烈 l 6 n I 时 破坏深达 1 4 m，随后不 再 向锞部发展 较无断层时增加了 2 7 ，此 时是底板破坏深度最大的时期 ，也是工作面 底板突水最危险的关键时期 。断层位于采空 区中部时， 工作 面距断层面 4 m 以前 ， 就必须 采取防止断层引起的底板突水事散，此时由 于断层和附加应力的作用 ，底板破坏深沿断 层面扩大到 1 2 m， 在工作面推进过断层的 8 m 之 内必须防突。推过断层 3 0 m后 ，断层对工 作面的底板破坏深度无影响。 4 主要结论 1 在正常元断层条件下，底板的破坏 形状为 “ 马鞍形” ； 最大破坏深度发生在顶板 初次来压时 ，深 l 1 m}周期来压时，深 1 0 m。 2 底板中断层的存在对底板的破坏深 度具有关键 的影 响，断层的断裂深度和断层 的位置对底板破坏深度作用不同。 3 当断层位于初次来压的底板拉裂区 深 1 6 m时 ，底板的破坏深度 最大 为 1 4 m，比 无断层时增大了 2 7 4 当断层位于采空区中部时，底板的 破坏形 状随开采而变化 ，最大破坏深度仉在 断层带上， 深 I Z m， 比无断层时增大了 2 O 。 5 底板突水 的关键部位与时间是 在初 次来压时的断层带上，其次为开采中，过断 层前后 8 m处 。 参考文献 l 白晨光辱．承压木底扳关照层失稳的尖点窠变模 型 煤嵌学报t l 9 9 7 ．2 2 钱鸣高等． 岩层控制中的关键层理论研究． 煤炭学 报，1 9 9 5 3 3 陈朝阳等． 焦作矿区底扳亮水预报模型． 煤田地质 与勘探，1 9 9 6 ．5 责任犏辑晓 南 矿山直力与项板量理1 9 9 8 ． N 9 3 7 3 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆