深部开采沉陷规律研究与分析.pdf

图1 模型示意图1 模型示意 数值模拟计算中岩体力学参数的选择对模拟 结果有极大的影响，为了使数值模拟过程与结果 更真实地反映深部长壁开采沉陷特征，力求使模 型中各岩体的力学参数与实际状态一致。根据实 工具主要应用于地下岩体采动过程中岩体节理、 断层、沉积面等对岩体逐步破坏的影响评价。 UDEC4.0能够分析研究直接和不连续特征相关的 潜在的岩体破坏方式及煤层开挖后顶板垮落、 离 层的过程，可以较准确地分析条带开采后覆岩的 移动和地表的沉陷。 深井开采沉陷数值模拟中岩层岩性、厚度参 照徐州矿务集团庞庄煤矿张小楼井综合柱状图， 模型走向长度3 600 m， 垂直高度1 536 m， 2 煤层 厚 度 为 1.8 m、 7 煤层厚度为2.0 m，煤层倾角为 22。计算模型中两边各留设足够长的边界煤柱， 以消除模型尺寸大小对地表下沉的影响。模型边 界条件采用位移固定边界，其中两侧边界为单向 约束， 底部边界为双向约束。模型仅受重力作用， 采用摩尔一库仑材料本构模型[ 1 ] 。 模型示意如图1 所示。 1矿井概况 徐州矿务集团庞庄煤矿张小楼井位于徐州 市西北郊， 距市中13 km。 庞庄煤矿张小楼井1990 年开始改扩建， 2006年通过竣工验收，设计生产 能力为105万 t/a， 2006年核定能力为120万 t/a， 开采深度在-1 000〜-1 025 m，属于深部开采矿 井。 张小楼井采用立井多水平开拓， 主要开采煤层 为下石盒子组2 煤及山西组7 煤 ，其中 2 煤平均 煤 厚 1.83 m， 7 煤平均煤厚2.17 m， 矿井采用走向 长壁采煤法， 综合机械化采煤工艺， 全部垮落法管 理顶板。地表岩性以粉砂土， 亚黏土、 砂质黏土为 主， 由于常年开采， 造成地表大部分塌陷并积水成 塘， 最大深度可达3 m。 2数值模拟模型的建立 为确保深部开采安全， 有效掌握开采后覆岩 移动和地表沉降规律，采用的数值模拟软件为中 国矿业大学“ 211” 工程引进的UDEC4.0软件。该 软件是一种基于非连续体模拟的离散单元二维数 值计算程序，它主要模拟静载或动载条件下非连 续介质如节理块体的力学行为特征。非连续介 质是通过离散块体的组合来反映的，节理被当作 块体间的边界条件来处理，允许块体沿节理面运 动及回转。单个块体可以表现为刚体也可以表现 为可变形体。UDEC4.0提供了适合岩土的7 种材 料本构模型和5 种节理本构模型，能够较好地适 应不同岩性和不同开挖状态条件下的岩层运动的 需要，是目前模拟岩层破断后移动过程较为理想 的数值模拟软件。UDEC4.0离散单元法数值计算 2018年第43卷 第 1期 能 源 技 术 与 管 理 Vol. 43 No.1 Energy Technology and Management 81 doi10.3969/j.issn.1672-9943.2018.01.030 深 都 开 束 沉 陷 规 律 研 究 与 分 祈 白宗荣 徐州矿务集团有限公司三河尖煤矿， 江 苏 徐 州 221613 [ 摘 要 ] 随着煤炭资源开采向深部逐渐延伸，深部开采沉陷规律及预测方法成为深部矿井 开采沉陷研究者关注的焦点。利用UDEC4.0数值模拟软件模拟分析庞庄煤矿张小 楼井不同采深、 采宽等开挖阶段下岩层的移动特征， 获得了不同采深、 采宽和相同 采宽、 不同采深条件下地表下沉量和水平变形以及移动角移动机理和移动规律， 为 矿井深部开采地表沉陷预测提供了技术参数。 [关键词]深部开采;沉陷规律;地表移动； 下沉曲线 [中图分类号]TD325.2 [文献标识码] B [文章编号]1672-9943201801蛳0081-03 3 600 m S 9 e s 82白宗荣深部开采沉陷规律研究与分析 2018年 2 月 Feb., 2018 际情况， 通过综合分析， 采用的各岩层岩性参数如 表 1 所示。 表 1模 型 内 各 岩 层 赋 存 的 力 学 参 数 岩性 弹模 /GPa 泊松 比 密度 /l04kN/m3 内摩 擦角 /0 抗拉 强度 /MPa 粘聚力 /MPa 表土层 0.050.292.0050.090.19 细砂岩430252.70334.696.39 粉砂岩 310.222.70302.015.21 粗砂岩39 0.232.70344.206.63 中砂岩 410.232.70355.509.00 泥岩 200.242.50281.203.00 砂泥岩 220.242.70302.204.50 页岩 240.232.70302.304.95 2、 7煤120.231.35221.001.85 3数值模拟方案 为了掌握庞庄煤矿张小楼井深部走向长壁开 采沉陷特征，需对深部不同采出宽度对应的地表 移动和变形作出相应的比较， 从中寻求规律;同时 应该与浅部长壁开采沉陷进行一一对比，从而更 全面地了解深部长壁开采特点。因此，经再三分 析 ，确定了分别对深部-800 m水平以下7 煤、 浅 部 -250 m 水 平 以 下 2 煤 ，按采出宽度分别为 100、 200、 300、 400、 500、 600、 700、 800 m 进行数值 模拟分析， 对应的模拟方案如表2 所示。 表 2模 拟 方 案 采深 采出宽度/m 深部-800 m 水平以下7 煤 ）100200300400 浅部（ -250 m 水平以下2 煤 ）100200300400 深部（-800 m 水平以下 7 煤500600700800 浅部（ -250 m 水平以下2 煤 ）500600700800 4模拟结果对比分析 根据表2 的模拟方案模拟的结果如表3、 4所 示。 表 3深 部 不 同 采 宽 对 应 的 地 表 最 大 移 动 变 形 参 数 值 采深 /m下 沉 量 /mm/m倾 斜 值 /mm/m曲 率 /10-3/m水平位移/mm/m水平变形/mm/m 1000.153 40.221 00.004 00.044 00.140 1 2000.362 20.578 00.092 00.103 10.307 5 3000.538 80.819 00.012 60.159 30.412 2 4000.705 61.008 00.013 00.215 10.573 0 5000.851 01.205 00.015 920.268 80.689 5 6000.982 01.335 00.016 20.319 30.770 1 7001.091 01.400 00.011 60.367 90.755 4 8001.181 01.516 00.014 60.414 60.781 6 表 4浅 部 不 同 采 宽 对 应 的 地 表 移 动 最 大 变 形 参 数 采深 /m下 沉 量 /mm/m倾 斜 值 /mm/m曲 率 /10-3/m水平位移/mm/m水平变形/mm/m 1000.428 850.921 90.031 80.030 70.206 5 2000.886 03.972 70.135 40.101 91.078 0 3001.363 05.505 40.188 40.149 91.663 0 4001.617 04.875 60.213 30.209 21.539 0 5001.746 04.243 20.224 90.256 21.734 0 6001.820 03.751 00.22940.305 01.924 0 7001.917 03.483 70.230 00.356 51.813 5 8001.971 03.333 50.234 00.405 91.797 3 根据表3 中深部不同采宽对应的地表移动变 动参数。 形参数、表 4 中浅部不同采宽对应的地表移动变 深部和浅部下沉量、 水平位移、 水平变形、 倾 形参数， 得出相同采宽、 不同采深时对应的地表移 斜、 曲率对比如图2 所示。 0 200 400 600 800 1000 采 出 宽 度 /m e 曲率 图 2深部、 浅部地表移动变形参数对比图 2深部、 浅部地表移动变形参数对比 1从 表 3、 4可以得出，在同样采出800 m 宽度的前提下，浅部下沉达1.971m、水平变形 为1.797 3 mm/ m，倾 斜 3.33 mm/ m; 深部下沉则 为 1.181 m、水 平 变 形 0.871 6 mm/ m，倾斜为 1.516 mm/ m。 与浅部开米相比， 深部引起的地表移 0 200 400 600 800 1000 米 出 宽 度 /m ⑷ 倾 斜 200 400 600 800 1000 米 出 宽 度 /m a 下沉量 200 400 600 800 1000 采 出 宽度/m b 水平位移量 200 400 600 800 1000 米 出 宽度 /m c水平变形量 动变形值要小。 由图2 可见， 只要地质开采条件一 致 ， 采宽相同， 深部引起的地表移动与变形各项参 数均小于浅部。 2从 图 2a中可以看出， 深部即使达到充 分采动，深部对应的地表下沉系数仍然会小于浅 部 ； 从图2c中看出， 米出宽度达800 m时， 深部 弓丨起的水平变形仍未超过1 mm/m。 开米对地面建 筑起主要影响的指标就是水平变形， 根据“ 三下” 采煤规程，我国一般砖石结构建筑物的临界变形 值为倾斜小于3 mm/m， 曲率小于0.2 mm/ m2,水 平变形小于2 mm/m[ 2 ] ;般土筑平房的临界变形 值为倾斜小于1 mm/m， 曲率小于0.05 mm/m2,水 平变形小于1 mm/m。 针对深部开米导致的水平变 形值偏小这一特点，在深部开采中如涉及到建下 采煤可以加以利用。 5主要结论 1 深部开采时， 随着采出宽度的不断增加， 地表各项移动变形值逐渐增大，但增加幅度与浅 部相比要小。 2 相同的地质采矿条件下，浅部开采更容 易达到充分采动，如本模型中浅部采出800 m后 达到充分米动，而深部米出同样宽度则无充分米 动的迹象。 也就是说， 深部比浅部更难达到充分采 动。 3 随着采宽的增加，深部开采引起的水平 变形增加幅度既平缓又小，通过跳采方式加协调 开采， 可以最大限度地降低对地面建筑的影响， 这 在建筑物下深部开采的领域内有较好的应用前 景。 [参考文献][参考文献] [ 1 ] 陶 帅 ， 王 学 滨 ， 潘 一 山 ， 等 .基 于 摩 尔 -库 仑 模 型 的 非 线 性 本 构 模 型 的 开 发 及 其 在 应 变 局 部 化 中 的 应 用 [j ]. 岩 土 力 学 ， 2011， 32增 刊 1403-407. [ 2 ] 国 家 安 全 监 管 总 局 ， 国 家 煤 矿 安 监 局 ， 国 家 能 源 局 ， 国 家 铁 路 局 .关 于 印 发 建 筑 物 、 水 体 、 铁 路 及 主 要 井 巷 煤 柱 留 设 与 压 煤 开 采 规 范 的 通 知 安 监 总 煤 装 [2017] 66 号 [A/OL] . 2017-07-03. http//www. chinacoal- safety. govcn/Contents/Channel_6558/2017/0703/290979/content_ 290979.htm. [作者简介][作者简介] 白 宗 荣 1985-， 男 ， 工 程 师 ， 中 国 矿 业 大 学 本 科 学 历 ， MBA硕 士 在 读 ， 长 期 从 事 技 术 管 理 工 作 。 [收 稿 日 期 2017-08-16] 2018年第43卷 第 1期 Vol.43 No.1 能 源 技 术 与 管 理 Energy Technology and Management83 0 5 0 2 1 1 0. 0. 0. G J/粗 - 0 - 5 - 0 - 5 2 1 1 - s/ 5 4 3 2 1 0. 0. 0. 0. 0. J / _ 猞赵 - 爷 J - 0 - 5 - 0 - 5 2 1 1 - s/ss/ IM m fK M- 4 3 2 1 J / 冻 8