崩落法开采岩层移动影响因素的数值模拟.pdf

S e rie s No ． 4 71 S e pt e mbe r 201 5 金 鬣 砖 METAL MI NE 总 第 4 7 1 期 2 0 1 5年第 9期 崩落法开采岩层移动影响因素的数值模拟 东龙宾 王少泉 金长宇 刘召胜 周 育 1 ．中冶北方工程技术有限公司， 辽宁 大连 1 1 6 6 0 0 ； 2 ．东北大学资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 1 1 0 8 1 9 摘要 ． 随着矿山开采深度的增加 ， 岩体所处的力学条件变得复杂 ， 采用崩落法开采的深部矿体岩层移动规律 受多种因素影响且不同于浅部。离散元法是基于不连续性假设的数值方法， 它特别适合于求解节理岩体中的非连续 性问题。基于离散元理论 ， 采用数值计算软件 3 D E C ， 分析了不同节理倾角、 不同侧压力系数及不同开挖阶段对深部 矿体崩落法开采过程中岩层移动规律的影响， 研究结果表明 不同倾角的优势结构面对崩落发展趋势影响显著， 水平 节理对崩落发展有 良好促进作用； 侧压力系数越大， 崩落高度越小 ； 深部矿体开采过程中， 由于承压拱的存在 ， 开采高 度为 1 2 0 m时， 并未引起大范围塌陷。研究结果可为深部矿体崩落法开采岩层移动规律及地表沉陷范围的确定提供 一 定的参考依据。 关键词 离散元深部开采崩落 法岩层移动数值模 拟 中图分类号T D 8 5 3 文献标志码A 文章编号1 0 0 1 ． 1 2 5 0 2 0 1 5 ． 0 9 ． 0 4 0 ． 0 5 Nu m e r i c a l Si mul a t i o n o f Fa c t o r s Affe c t i n g St r a t a M o v e m e nt Ca us e d by Ca v i ng M e t ho d Do n g L o n g b i n Wa n g S h a o q u a n J i n C h a n g y u L i u Z h a o s h e n g Z h o u Y u 1 ． N o r t h e r n E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y C o r p o r a t i o n ， MC C ． ， D a l i a n 1 1 6 6 0 0 ， C h i n a ； 2 ． C o l l e g e o fR e s o u r c e C i v i l E n g i n e e r i n g ， N o rt h e a s t e r n U n i v e i t y ， S h e n y a n g 1 1 0 8 1 9 ， C h i n a Abs t r ac t W i t h t h e i nc r e a s e o f mi n i n g d e p t h， r o c k me c h a n i c s c o n d i t i o n s be c o me c o mpl i c a t e d． St r a t a mov e me n t l a w o f d e e p mi n i n g b y c a v i n g me t h o d i s a f f e c t e d b y ma n y f a c t o r s a n d i s d i f f e r e n t f r o m t h e s h a l l o w． D i s c r e t e e l e me n t me t h o d i s a n u me r i c a l me t h o d b a s e d o n t h e a s s u mp t i o n o f d i s c o n t i n u i t y ， wh i c h i s p a r t i c u l a r l y s u i t a b l e f o r s o l v i n g t h e d i s c o n t i n u i t y p r o b l e m o f j o i n t e d r o c k m a s s ． B a s e d o n t h e d i s c r e t e e l e me n t t h e o r y ， u s i n g n u m e ri c a l c a l c u l a t i o n s o f t w a r e 3 D E C ， t h e r o c k mo v e me n t l a w a f - f e c t e d b y d i f f e r e n t j o i n t a n g l e ， d i f f e r e n t l a t e r a l p r e s s u r e c o e f f i c i e n t s a n d d i f f e r e n t s t a g e s o f e x c a v a t i o n d u ri n g c a v i n g p r o c e s s o f d e e p o r e b o d y w e r e a n a l y z e d ． T h e r e s u l t s s h o we d D o mi n a n t s t r u c t u r a l p l a n e w i t h d i f f e r e n t d i p a n g l e h a d a s i g n ific a n t i n fl u e n c e o n c a v i n g t r e n d s ． A n d h o ri z o n t a l j o i n t s h a d a g o o d r o l e i n p r o m o t i n g t h e d e v e l o p m e n t o f c a v i n g ； T h e l arg e r l a t e r a l p r e s s u r e c o e f - fic i e n t ， t h e s ma l l e r t he h e i g ht c a v i ng； Du r i n g t h e mi n i n g pr o c es s， l a r g e s c a l e s ub s i de nc e d i d no t o c c ur whe n t h e mi ni n g h e i g ht w a s 1 2 0 m b e c a u s e o f b e a ri n g a r c h ． T h e r e s u l t s c a n p r o v i d e a f r a me o f r e f e r e n c e f o r d e t e r mi n i n g f o r t h e l a w o f s t r a t a mo v e me n t a n d s u r f a c e s u b s i d e n c e r a n g e o f d e e p o r e c a v i n g mi n i n g me t h o d ． Ke y wo r d s Di s c r e t e e l e me n t me t h o d ， D e e p mi n i n g ， Ca v i n g me t h o d， S t r a t a mo v e me n t ， Nu me r i c a l s i mu l a t i o n 使用崩落法开采引起的岩层移动是一个重大的 社会和环境问题 ， 影响顶板 大面积 冒落 的因素众 多， 机制复杂 J ， 难 以用确定 的试验手 段和理论方 法解 决 。国内外学者对 于地表沉 陷的研究 由来 已久 ， 如 Ha l b a u m将采空区上方岩层作为悬臂梁 ， 推导出地 表应变与 曲率半径 成反 比的理论 ； 郭增长_ 4 建立 了极不充分开采条 件下地表移动 的预计方法 ； 郝 冰 元 分析了开采沉陷预计过程 中的相关计算参数 的 可靠性 ， 对概率积分法预测 的参数取值进行 了改进 ； 胡斌 等 通过随随机介质理论 ， 将岩层移 动视为一 随机过程 ， 对隧道开挖引起 的地表沉 降进行 了研究 ， 黄平路等 通过有 限元 和离散元 联合分析 的方法 ， 研究了露天于地下联合开采 引起 的岩层移 动规律。 离散元法是专门用来解决不连续介质问题的数值模 拟方法。2 0世纪 8 0年代 中期 ， 王永嘉 首次将离散 元法引入到国内 ， 该方法特别适用于节理岩体的大变 形 、 大位移分析 ， 并在地表沉 降等研究 中得到了广泛 应用 。 。2 0世 纪 8 0年代 末期 ， C u n d a l l 等 开发 收稿 日期2 0 1 5 0 6 ． 0 8 基金项 目 中国中冶“ 三五” 重 大科技专项 编号 0 0 1 2 0 1 2 0 0 9 。 作者简介东龙宾 1 9 8 9 一 ， 男 ， 工程 师， 硕士 。通讯作 者王少泉 1 9 6 5 一， 男 ， 教授级 高级工程师 。 4 0 总第 4 7 1期 金 属 矿 山 2 0 1 5年第 9期 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7] v i n g o f r o c k ma s s [ J ] ． J o u r n a l o f N o r t h e a s t e r n U n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c e ， 2 0 1 2 ， 3 3 8 1 1 9 0 1 1 9 3 ． 阿威尔辛 C 煤矿地下 开采 的岩层移 动[ M] ．北京 煤炭工业 出版社 ， 1 9 5 9 ． A v e r r o e s C R o c k Mo v e me n t U n d e r g r o u n d C o a l M i n i n g[ M] ． B e ij i n g C o a l I n d u s t r y P r e s s， 1 9 5 9 ． 郭增长 ， 谢和平 ， 王金庄 ． 极 不充分 开采地 表移 动和变形 预计 的 概率密度函数法 [ J ] ．煤炭学报 ， 2 0 0 4， 2 9 2 1 5 5 1 5 8 ． Gu o Ze n g z h a n g ， Xi e He p i n g， Wa n g J i n z h u a n g ． Ap p l y i n g p r o b a b i l i t y d i s t rib u t i o n d e n s i t y f u n c t io n t o p r e d i c t t h e s u rfa c e s u b s i d e n c e c a u s e d b y s u b c r i t i c a l e x t r a c t io n [ J ] ． J o u rna l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ， 2 0 0 4 ， 2 9 2 1 5 5 1 5 8 ． 郝兵元 ．厚黄土薄基 岩煤层 开采岩移及土壤质量变异规律 的研 究 [ D] ．太原 太原理工大学 ， 2 0 0 9 ． Ha o B i n g y u a n ．S t u d y o n t h e L a w o f Ro c k Mo v e me n t a n d S o i l Va r i a ． t i o n i n Mi n i n g o f C o a l S e a ms o f Th i c k L o e s s a n d Th i n Be d r o c k [ D] ． T a i y u a n T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， 2 0 0 9 ． 胡斌 ， 刘 永林 ， 唐辉 明， 等 ．武汉地铁 虎泉一名都 区间隧道 开 挖引起 的地 表沉 降研 究 [ J ] ．岩 石力 学 与工 程 学报 ， 2 0 1 2 ， 3 1 5 9 0 9 - 9 1 3 ． Hu Bi n， L i u Yo n g l i n， Ta n g Hu i mi n g， e t a 1 ． Re s e a r c h o n g r o u n d s u b s i d e n c e d u e t o t u n n e l e x c a v a t i o n i n Hu q u a n Mi n g d u s e c t io n o f Wu - h a n s u b w a y [ J ] ． C h i n e s e J o u rna l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r ． i n g ， 2 0 1 2， 3 1 5 9 0 9 - 9 1 3 ． 黄平路 ， 陈从新 ．露天与地下联合 开采引起 矿山岩层 移动规律 的数值模拟 研 究 [ J ] ．岩 石 力 学 与工 程 学 报 ， 2 0 0 7 ， 2 6 s 2 44 [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 1 ] 4 0 3 7 - 4 0 4 3 ． Hu a n g P i n g l u， Ch e n Co n g x i n ． Nu me ri c a l s i mu l a t i o n r e s e a c h o n r o c k mo v e me n t c a u s e d b y s u rfa c e mi n i n g a n d u n d e r g r o u n d mi n i n g [ J ] ． C h i n e s e J o u rna l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 7， 2 6 S 2 4 0 3 7 4 0 4 3． 王泳嘉 ．离散 元法及其 在岩 石力学 中 的应 用 [ J ] ．金属 矿 山， 1 9 8 6 8 1 3 1 7 ． Wa n g Y o n g j i a ． D i s c r e t e e l e m e n t m e t h o d a n d i t s a p p l i c a t i o n i n r o c k me c h a n i c s [ J ] ． Me t a l Mi n e ， 1 9 8 6 8 l 3 1 7 ． 张国权 ， 盛建龙 ， 孙 明伟 ， 等 ．基 于 U D E C的复 杂条件下 放顶引 起 的地表沉 陷规律研究 [ J ] ．金属矿 山， 2 0 1 2 6 1 4 5 ． 1 4 8 ． Zh a n g Gu o q u a n， S h e n g J i a n l o n g， S u n Mi n g we i ， e t a 1 ． S t u d y o n t h e s u r f a c e s u bs i d e n c e r u l e i n r o o f c a v i n g u n d e r c o mp l e x c o n d i t i o n s c a s e d o n U D E C[ J ] ． Me t a l Mi n e ， 2 0 1 2 6 1 4 5 - 1 4 8 ． 李远耀 ， 唐朝晖 ， 陈仁全 ．广西 合山煤 田浅 埋煤层 采空 区塌 陷 机理数值分析[ J ] ．金属矿山 ， 2 0 1 4 3 2 6 3 o ． L i Yu a n y a o， Tan g Zh a o h u i ， Ch e n R e n q u an ． Nu me ric a l a n a l y s i s o n t h e me c h a n i s m o f mi n i n g c o l l a ps e i n s h a l l o w s e a m o f He s h a n C o a l F i e l d ， G u a n g x i [ J ] ． Me t a l Mi n e ， 2 0 1 4 3 2 6 - 3 0 ． Cu n d a l l P A． F o r mu l a t i o n o f a t h r e e ． d i me n s i o n a l d i s t i n c t e l e me n t mo d e l Pa r t I ． a s c h e me t o d e t e c t a n d r e p r e s e n t c o n t a c t s i n a s y s t e m c o m p o s e d o f m a n y p o l y h e d r a l b l o c k s [ J ] ． I n t e rna t i o n al J o u r n a l o f Ro c k Me c h a n i c s an d Mi n i n g S c i e n c e ＆ Ge o ． me c h a n i c s Ab s t r a c t ． 1 9 8 8， 2 5 3 1 0 7 1 1 6 ． 责任编辑徐志宏