大倾角煤层开采岩移基本规律的研究.pdf

第 2 3卷 2 0 0 1 年 第 4期 7月 岩土工程学报 C h i n e s e J o t t r n a l o f G e o t e c h a ie a l E n g i n e e ri n g V 2 3 N o ． 4 J u l y ， 2 0 0 l 大倾角煤层开采岩移基本规律的研究 B a s ic b e h a v io u r o f s t r a t a mo v e me n t in s e a m wit h d e e p d ip a n g le 尹光志． 鲜学福， 代高飞 ， 张东 明 重庆大学 资源盐环境科学学院． 芎庆4 0 0 0 4 4 ； 藿废太学 两南资谭开发_硬环境灾害控制工程教育部 点实验室 重庆4 O 0 O 4 4 摘要 针对南桐矿务局南桐煤矿大倾角煤层的复杂条件， 运用实验室相似模型试验和基于显式有限差分基础上的兀 c程序． 对 南桐煤矿二井三区煤层开采引起的岩体移动、 矿山压力分布和地表沉陷的基本规律进行了研究． 所得结果耐现场开采肄有一定的 指导作用． ． 关键词 相似模型试验； F I AC ； 大倾角煤层； 岩体移动； 地表沉陷 中国分类号 T I 3 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 04 ．5 4 8 2 0 0 1 J 0 4 0 4 5 0 0 4 作者简介 尹光志， 男， 1 9 6 2 年生， 博 教授， 博士生导师， 现任重庆大学资源及环境科学学院院长． 重庆大学西南资源开发及环境 灾害控制lT程教育部重点实骑室主任． 主要从事岩石力学与采矿工程领域的研究工作 Y I N Gu ml g z h i ， X I A N Xu e - f u ， D AI G a o f e i ， Z HA NG D o n g - rui n g C o l le g e o f R e s o u r c e a n d E a v i r t mm e n t a l S c i e n c e s , h o n g q i n g U m v e a s i W， O z a t g q i n g 4 0 O O 4 4 ． C h in a ； T h e K e y L a k埘l 吖 o f t h e E x p 【。 l均【 L [ m o f S 。 u 吐 I R e s o u r c e s ＆t h e E n v ir o n m t a l H a z a r d s G 蚰州 E n g iI I e 1 n g 。M 1 s 时 o f E 帅o n ．01 0 | L 鲷 g U 门 L 盯自 ．曲 g 4 O O 0 4 4。 坤 Ab s t r a c t A c c o r d i n g to t h e c on p l e x c o n d i t i o n s o f s e a m wi t h d 唧d i p a n g l ei n Na n t o n g c o a l n fi n e t mo d e l t e s l a I ld c c u l a fi o nwi t h F L AC p r o g r a m a y e c a r ri e d O U [tO 砌 d s t r a l t l l o v e l r le n t ，g r o u n d p r e s s u r e a n d s u b s i d e n c e d u e I o mi n i n g ．T h e o b t n e d r e s u l t s a r e o f r e f e r e n ti a l v a l u e f o r e r 一 n e e 6ng 0 r a c t i c e． K e ywo s m o d e l i n g e x p e r i me n t F L A C； d e e p d i p a n g I e S e a lr l l s l z a t a r o v e r n e n t ； s u b s i d e n c e d u etOm i n i n g “ l 引 言 煤层开采引起岩层和地表产生连续 的移动 、 变形 和非连续破坏问题 由来已久 ， 但 由于采矿地质条件 的 复杂性， 使得问题仍未得到圆满船决， 特别是随着采深 的逐渐增加 ， 开 采沉陷问题 越来越突 出_ 1 J 。本文通过 实验室相似模型试验与数值分析相结合 的方法， 针对 南桐矿务局南桐煤矿二井三 区开采的实际情况， 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研究， 这对于指导南桐煤矿的“ 三 下” 采煤具有重要意义。 2 实验室相似模型试验研究 2 ． 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 l m以上， 部分地区可达到 3 m， 煤层 倾角为 3 5 。 左右， 平均采深为 5 0 0 m 。二井三区采用走 向长壁采煤法 ． 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， 断层多南桐煤矿岩石力学参数见表 1 2 ． 2 相似模型试验设计 根据南桐煤矿的开采地质条件， 运用相似理论进 行了大倾角煤层的岩体移动和开采沉陷的相似模型试 验研究， 试验模型和边界条件如图 1 所示 模型试验 要求模型与原型的岩层厚度 、 采深 以及开采空间的几 何尺寸均应满足几何比。一般来说 ， 模 型几何比愈大 ， 其精度越高， 越能反映原型的实际情况， 但所需成本和 时间也越多。实践证明， 只要材料性能合适， 在提高加 工精度及砌筑工艺水平， 采取较高精度的量测设备等 技术措施的基础上， 适当缩小模型的几何 比是可行的。 由于本试验采取较好的模拟技术措施 ， 故选取模型几 何比为 1 4 0 0 在选取 的相似材料确定后 ， 其容重 相 似比就已确定。在相似材料模拟试验中， 相似材料的 选择是非常重要的一个环节 ， 它决定着模拟真实岩体 的精确性以及在模型上模拟原形重要特征的可能性和 全部试验的实用性， 因此模型材料应具备非常严格的 条件。目前国内外通常使用的模型试验相似材料有石 膏混合料、 水泥浮石混合料、 合成树脂材料 、 橡胶材料 以及其它} 昆 合料。本试验选取以河砂为骨料， 石膏和 石灰为胶结物的石膏混合物为相似材料。相似材料的 容重比为 C y H1 ／ ， MI ／ y ⋯⋯ 1 ． 6 6 7 i d e m ， 式 中原型用下标 H表示， 模型用下标 M表示 ， 上 标数字表示岩层编号。据相似关系可求得模型的边界 基金项目 教育部高等学棱骨十教师和优秀青年教师教学科研 斐励计螂资助项目 收稿 日期 2 O 0 O一1 2 1 ] 维普资讯 第 4期 尹光 志等大倾 角煤层 开采岩移基率规律 的研 究4 5 l 应力比和强度 比为 C C 6 6 6 ． 7 c 根 据蠕变试验曲线 ， 岩石受力后产生弹性应变， 则模型中 应包含弹性元件； 应变随时间有增大的趋势． 则模型中 应包含粘性元件； 应力降为零时， 应变有部分恢复． 这 一 特征与开尔文模型类似； 且在时间无限延长时， 应变 将趋于某一定值， 这与广义开尔文体的特征相似。综 上所述 ， 本次试验采用 H K体模型较为台适 ， 其组合方 式如图 2 所示。受试验条件限制， 以模 型在重力作用 下的运动学相似求取开挖模拟的时问比为 C f 2 0 试验在规格 长 X宽 X高 为 1 ． 5 1T I X 0 3 1 T I X 1 ． 2 m 的平面应力转体模型试验台上进行【 表 1 南桐煤矿岩石 力学参数 T a b l e 1 T h e me c h a n i c a l p a r a me te r s o f r o c k i n Na n t o n g c o a l mi n e 图 1 南桐煤矿计算试验模型和边界条件示意图 F i g ． 1 C a l c u l a t i t h g a n d t e s t i n g mo d e l o f“ q a n t o n g c o a l mi n e a n d i t s b o ml d a r y c o n d i t i o n ￡1 l一 { ] _ ] I 图 2 理论模型 F i g ． 2 T h e o r e ti c a l mo d e ] 根据试验条件和重庆地 区的气候特点， 本试验采 用湿法模型。根据相似材料配比表将各材料称好， 拌 匀， 分层装入模型架 内。层问加入云母粉作为 自然层 理。在模型干燥 7 d 后 ， 拆除两边档板 ， 开始试验 模 拟开采 4号 、 6号层 ， 累计开采厚度为 4 m左右。在本 试验 中需进行量测的有地表下沉量 、 地表水平移动量 、 围岩位移、 垮塌高度、 离层高度 地表下沉量和水平移 动量采用千分表量测， 测点在地表波及范 围内布置较 密集 ； 围岩位移采用 N i 一4型 I 级水准仪测量， 位移测 点在采场边界布置较密集 ， 远离采场边界的测点布置 较稀疏 。根据作业 规程 ． 采 场的工作 面推 进速 度 为 2 ． 4 n Jd ， 开采模拟过程为每 隔 1 ． 7 h模拟开采一次 ， 每次模拟开采步距为 2 ． 4 m， 每模拟开采一 次后就对 地表下沉量 、 水平移动量和采场 } 覆岩层位移进行观 测 ， 记录测试结果和模拟过程中所发生的现象一 2 ． 3 相似模型试验结果分析 相似模型试 验中裂隙分布情况 见表 2 ； 岩体移动 及“ 三带” 分 布情况 见图 3 ； 地表移动及变形曲线 如图 4 ； 地表下沉和水平移动动态曲线如图 5 表 2 南桐煤 矿相似模型试验上覆岩层离层情况 l k b l e 2 T h e p a r m l w t e r o c k c r , k s i n mo d e l L e s t o f Na n t o n g c , ,a l r ll i n 一 图 3 岩体移动及 三带 分布示意图 F i g 3 S t r a t a n we me n t a n d d i s t r i b u t io n o f‘‘ T h r e e[ l t s ’ ■。 。 ＼ ．／ ‘ 图 4 地表 下沉及变形 曲线 图 F i g ． 4 S u b , i d e n c e a n d d e f o r ma t i o n e t l lD ,, e s 根据试验可以得 出 a 南桐煤矿下沉系数 q0 7 ； 水平移动系数 6 维普资讯 岩土工程学报 2 0 0 1 妊 一采 b 水平位移 圄 5 南桐煤 矿地表下沉和水 平移 动动态 曲线 F i g 5碍 d n a m i c c u n s o f s r f a c e s u b s i d e n c e a f d h o r i z o n t a l d i a c e me n t 1 ． 2 2 ； 主要影 响半径 为 1 9 5 1 1 1 ； 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 ． 0 m ， 与现场测得冒落带最大高度值 3 o ． 7 m接近； 裂隙带高度为 8 4 ． 2 m [ 3 ； 地表移动波及 范围在采区上方大于 6 0 O m 。 b 最大下沉点位置在 l O 号测点附近； 最大倾斜点 位置在 1 5号测点 附近 ； 最大曲率点位置在 l 5号测点 附近 最大水平移动点位置在 l 6 号测点附近 ； 最大水 平变形点位置在 1 2号测点附近。相似模型试验测得 的最大值点位置与现场情况吻合。 c 从动态曲线可以看出， 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 称性越来越 明显 南桐煤矿的下沉曲线 向下 山方向偏 移． 当推进长度达到临界长度时， 移动盆地的非对称性 也趋向稳定 从 移动和变形 曲线 可以看 出， 随着工 作面的推进 ， 各种曲线的规律性逐渐显现 ， 且水平移动 和变形曲线的规律性较强。南桐煤矿水平移动最大值 为 3 1 0 m m， 是水平移 动总量的 7 l ％． 南桐煤矿水平变 形最大值为 0 ． 2 m r n ／ m。 d 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 。南桐煤矿最大拉伸变形在 下山方向， 最大压缩 变形在上山方向， 水平变形为零的点与最大水平移动 点重台 南桐煤矿水平移动曲线和倾斜曲线不相似， 水平变形曲线和曲率曲线不相似。 e 地表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 ， 如图 6所示。由于相似模 型观测的时间比较长， 观测比较充分， 所以随着观测的 继续进行， 三个阶段将会周期性的循环出现。 一 0} l 。 1 0 蠢 2 要m。 l 上 _ o． 4 0 ． 5 图 6 地表。 F 沉速度 曲线 F i g 6 T h el o c i t y 0 f s L I出c e s u b s i d e n c e f 根据“ 三下” 采煤规程计算导 水裂隙带高度 为 l O O Mh ／ 4 ． 1 h1 3 3 。式中 Ⅳ为累计采厚 ， h为 阶段垂高， 村和的单位均为 I l l ，所 以 1 0 0 X 4 9 8 ／ 4 ． 1 9 8 1 3 3 7 3 ． 3m。则导水裂隙带高度与 累计采厚的比值为 1 8 ． 3 ， 冒落带高度为导水裂隙带高 度的 5 0 ． 5 ％， 与现场测试结果较吻合 5 3 数值分析研 究 nA c F a s t[ a g r a n g i a n a l v s i s o f C o n ti n u a 程序是 为岩土力学和工程应用开发的计算软件， 计算程序中 包括了反映地质材料力学效应的特殊计算功能． 非常 适合解算岩土力学和岩土工程问题 。本文采用 F L A C 程序对深部开采的岩移基本规律进行数值分析。 根据南桐煤矿的开采地质条件， 选取本次模拟的 本构模型为符合莫尔 一 库仑准则的弹塑性材料模型。 南桐煤矿的有限差分计算模型见图 1 ， 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 ， 铅垂 自由， 地表为 自由边界， 底面铅垂约束， 水平自由L6 ，模型采用等 参四边形单元 ， 共化分 为 1 6 0 0个单 元 ， 1 6 8 1 个结点。 F L A C 计算所得的下沉量和水平移动等值线见图7 ； 铅垂 应力， 水平应力和剪切应力等值线如图 8 所示； 地表点， 顶板点和底板点下沉量随时问步长的变化曲线如图9 。 匡 图 7 南桐J 某 矿 开采后下沉■和水 平移动等值线圈 F 7 T h e c o n t o u r o f s u b s i d e n c e a n d h o r i z o n t a l d is p l a c e me n t a f t e r mi n i n g i n Na n t o n g c o a l m i n e 根据数值分析结果可以得出 a 地表移动下沉盆地上 山方向的影响范围比下 山 维普资讯 第 4期 尹光志等 ． 大倾角煤层开栗岩移基本规律的研究 图 8 南桐煤矿开采后铅垂应力和水平应力等值线囤 F i g ． 8 T h e Y- s t I s c 0 I 】 o a f l e 2m i n i n gi n N a n t o n g c o a l m i n e 0 媳 足 望 3 3 fi 1 1 1 3 1 5 1 “I 时闷步数／ l 0 。 图 9 南桐煤 矿地表点和顶扳点的下沉■ 曲线 F 9 T h e s u b s i d e n c e e lt l l ,e s o f s u r f a c e o v e r l y i n g s t r a l a i n N a n t o ng c o a i mi ne 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。下 沉曲线的两个拐点与采空区不对称， 而偏向下山方向。 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 。 b 在整个岩层系统运动过程 中， 冒落拱和裂隙带 逐渐形成， 岩层趋于稳定。冒落带 中一些 原已离层或 彼此脱离力学联系的部分被压实 冒落带最高处在距 下端煤壁 3 0 m处， 冒高为的3 5 ． 0 m ； 上部接近煤壁处 冒高为2 5 ． 0 m ， 分布为上大下小， 裂隙带波及范围较 大 这一结果与模型试验吻合较好。 c 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， 在煤体下方出现应力集中 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。在直接顶的中部和上下 煤壁处均出现拉应力， 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 9 所示 。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， 这是作用在煤体上的支撑压力向底 板传递的结果。就应力大小而言， 下侧煤体和岩体在 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 ． ． L 侧煤体支撑压力 峰值低于下侧煤体支撑压力峰值。 d 根据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， 并且这三个阶段是周期 性往复出现的 ， 如图 1 O 所示。这- -一 点与相似模型结 果十分接近。 三 8 l 0 】 2】 4 1 6 时州步数， 】 0 国 1 O 模型 主应 力矢量图 和下沉速度 曲线 F 1 0 pr i n c i p al s t r e s , ． e c t o r o f mo d e l a n d[ y L I t o f s u bsi d e n c e v e l o c i ty 4 结 语 通过对南桐煤矿二井 三区的相似模型试验与数值 分析研究 ， 弄清了大倾角煤层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 [ 1 ] 姜岩， 等． 覆岩注浆开采地表减打 C 过程分析[ j ] ． 矿山压力 与顶板管理 ， 1 9 9 7 ， 1 2 3 2 5 ． 【 2 钟道昌， 等 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 3 ]杨伦， 等． 煤矿覆岩采动离层他置的计算[ J 1煤炭学报． 1 9 9 7 ， 2 2 5 4 7 7 4 8 0 [ 4 ]壬金庄， 等． 地袁下札盆地偏态形成的机理分析L J ]煤炭学 报 ， 1 9 9 9 ， 3 2 5 2 ～2 5 5 [ 5 ] 滕水梅 ． 等． 采动过程 覆岩离屠发育规律的研究[ J ]煤炭 学报 ， 1 9 9 9 ， 2 4 J 2 5 2 8 ． [ 6 ]谢和平． 等 Ⅱ c在煤矿 F 采沉陷预测中的应用盟对比分 析[ J ． 岩石力学与工程学报， 1 9 9 9 1 8 4 3 9 7～ 4 0 1 ． [ 7 ]康红普 ． 回果巷道锚杆支护影响困素的 兀 c分析 J ．岩 石力 学与工程 学报 ，1 9 9 9 ． 1 8 5 5 3 4 5 3 7 [ 8 ] 金兜平 冲击地压的发生条件及预测方法的研究 D ]重 庆 重庆大学资环 学院 1 9 9 2 维普资讯