巨厚松散层下深部宽条带开采地表移动规律.pdf

第 26 卷 第 3期 2009 年 09 月 采矿与安全工程学报 Journal of Mining 河南省重点科技攻关项目 作者简介刘义新, 男, 山东省栖霞市人, 博士, 从事矿山开采沉陷方面的研究 yx 63T3 635 文章编号1673 - 33632009 03 - 0336 - 05 巨 厚 松 散 层 下 深 部 宽 条 带 开 采 地 表 移 动 规 律 刘义新1, 戴华阳1, 郭文兵2 1. 中国矿业大学 资源与安全工程学院, 北京100083; 2. 河南理工大学 能源科学与工程学院, 河南 焦作454003 摘要 为了研究巨厚松散层下深部宽条带开采时松散层厚度变化与地表移动规律及下沉系数的 关系, 根据某矿具体的地质采矿条件, 采用 FLAC 3D数值模拟软件, 分别建立了巨厚松散层下深 部宽条带开采数值模型, 模拟给出了不同松散层厚度时的地表下沉、 水平移动等值线图及其最大 值, 回归分析得出了相应函数关系式, 并分析其原因. 研究表明, 1 巨厚松散层下深部宽条带开 采地表不易形成波浪型下沉盆地. 2 地表下沉系数 q条随松散层厚度 h 占采深H 比例的增大以 线性关系增大, 表达式为 q条 0. 162h/ H 0. 085. 3 原因为 松散层的采动程度不同于基岩, 为有流变性的松散介质. 通过实例验证, 结论可以满足工程要求. 关键词 条带开采; 地表移动; 数值模拟; 巨厚松散层; 深部开采 中图分类号 TD 325文献标识码 A Surface Movement Laws of Deep Wide Strip - Pillar Mining Under Thick Alluvium LIU Y- i xin 1, DAI Hua - yang1, GUO Wen - bing2 1. College of Resources 2. School of Resource Science surface movement; numerical stimulation; thick alluvium; deep mining 2008 - 09 - 09 0 12002100072102290004 1980 -. E - mail hnlgl1. comel 1 2 011 98 第 3 期刘义新等 巨厚松散层下深部宽条带开采地表移动规律 自开采沉陷学发展以来, 学者们就根据实测资 料利用各种手段对正常开采条件下地表沉陷规律 进行了广泛研究, 并取得的丰富的研究成果, 目前 开采沉陷学科正在向纵深方向发展, 即研究特殊地 质采矿条件下地表沉陷的规律, 而巨厚松散层下开 采引起的地表沉陷问题就是其中之一. 厚松散层在 我国华东、 华中、 华北等矿区广泛分布, 在这些矿 区, 城市和村庄的建筑物、 铁路、 水体下 简称 三 下 压着大量的煤炭资源. 有些矿区在厚松散层下 采用全采垮落法采煤时, 地表出现最大下沉值大于 煤层开采厚度, 地表沉陷范围扩大, 对地表环境和 建构筑物等的危害大等独特现象. 随着煤炭需求 量增长和煤矿开采强度的加大, 资源与环境的矛盾 越来越尖锐, 由此带来了大量采动损害及环境效应 问题. 文献表明 [1 - 9] , 条带开采作为开采 三下 压煤 的有效技术措施, 是煤矿 绿色开采技术 体系中的 重要措施之一, 用条带法开采厚松散层村庄下压 煤, 能较好的控制地表沉陷, 保护建构筑物等; 同 时, 伴随许多矿井相继进入深部开采, 高效减沉的 宽条带开采正在被应用到 三下 压煤开采中, 但对 巨厚松散层下深部宽条带开采地表沉陷规律的实 测资料和相关研究都不够充分. 论文的研究对深部 宽条带开采的实施, 地表移动的变形预计及宽条带 开采优化设计具有一定的实践和理论指导作用. 根据某矿的地质采矿条件, 利用 FLAC 3D建立 了深部宽条带开采数值模拟模型, 就巨厚松散层下 深部宽条带开采松散层厚度与地表移动规律及与 下沉系数的关系进行了研究, 得出了在采、 留宽等 其它条件相同的情况下, 地表最大下沉值、 水平移 动值及下沉系数与松散层厚度变化的规律及函数 表达式. 1数值模拟模型的建立 模型以华北地区某矿的地质、 采矿条件为原 型, 采深约 580 m, 采厚 4. 0 m, 采、 留宽均为 130 m, 煤层为近水平煤层, 松散层厚度为 160 m, 且不 含水. 模拟岩层对矿区综合柱状图进行了简化, 从 地表往下各岩层的物理力学参数见表 1. 表 1岩层物理力学参数表 Table 1Physical and mechanic parameters of stratum 岩层名称厚度/ m弹模/ GPa泊松比 内摩擦角/ 黏聚力/ MPa 单轴抗拉 强度/ MPa 容重/ kgm- 3 表土层1600. 010. 40200. 010. 01 800 泥岩、 砂泥岩互层2005. 30. 40331. 51. 02 600 中粒、 粉砂岩互层18011. 90. 26336. 252. 62 640 基本顶2412. 50. 22378. 563. 02 500 直接顶161. 20. 35321. 51. 02 400 煤层4. 01. 00. 42251. 00. 11 400 煤层底板5612. 50. 23824. 63. 02 600 模型坐标系采用直角坐标系, xoy 平面取为水 平面, z 轴为铅直方向, 向上为正. 以煤层走向为 x 轴, 倾向为 y 轴, 重力方向为 z 轴, 具体模型如图 1 所示. 图 1FLAC3D计算模型图 Fig. 1FLAC3Dcomputer model 开采范围为 沿走向, 倾向 65, 采、 留宽 3为了消除边界效应的影响和真实的显 示出地表沉陷的实际情况, 走向方向煤柱两侧各留 1 100 m 的煤柱, 倾向方向煤柱两侧各留 1 175 m 的煤柱. 煤层底板方向尺寸确定为底板破坏深度以 下, 即模型尺寸为 3000 m3000 m640 m. 模型 共划分了 55 900 个单元, 70 322 个节点. 模型依次 模拟采出 3 个条带. 模型边界条件如下 侧面施加水平位移约束, 底部限制垂直位移, 顶部为自由边界. 根据上覆岩 层材料的力学特征, 煤岩材料的本构关系采用莫尔 - 库伦准则, 开挖采用分步开挖. 2模拟方案及结果 为了研究巨厚松散层下深部宽条带开采地表 移动规律, 模拟松散层厚度分别取 160, 260, 360, 6 , 56同时, 为了凸现松散层对地表移动的 影响, 也给出了松散层厚度固定为6, 采深相 同、 基岩厚度变化时的对比模拟方案, 共建立个 不同形状的网格模型, 方案编号为 方案 5, 337 800 m0 m 1 0 m. 4 00 m. 1 0 m 9 12 采矿与安全工程学报第 26 卷 5 . 各方案具体情况见表 2. 为使各方案模拟结 果具有可比性, 9 个模型的采厚均为 4. 0 m, 采、 留 宽均为130 m, 采出率为 50 , 水平煤层. 各方案的 边界条件、 岩层参数见表 1 等其它条件均相同. 模拟得出了各方案相应等值线和移动结果, 这里仅 给出方案 2 采深为 680 m 时的地表下沉和水平移 动等值线见图 2, 从中可以清晰的看出地表各处的 下沉和水平移动情况. 表 2松散层厚度不同时数值模拟结果 Table 2Numerical stimulation results in different alluvium height 方案 松散层厚/ m 采深/ m 最大下沉值/ m 最大水平 移动值/ m 采动程度 系数 下沉系数备注 11605800. 5140. 2340. 9950. 129 22606800. 4990. 2140. 8480. 147 21606800. 4840. 2300. 8480. 143 33607800. 4730. 1910. 7400. 160 31607800. 4530. 2190. 7400. 153采宽、 留宽均为 130 m 44608800. 4450. 1690. 6560. 170 41608800. 4240. 2070. 6560. 162 55609800. 4170. 1500. 5890. 177 51609800. 3980. 1940. 5890. 169 图 2采深 680 m 的位移等值线方案 2 Fig. 2Surface subsidence contours H 680 m, 2nd program 通过对上述各方案进行数值模拟及计算, 给出 不同松散层厚度下地表最大下沉值, 最大水平移动 值及下沉系数等, 见表 2. 其中, 地表下沉系数计算 公式为 Wm mqcosn1n3,1 式中 Wm为非充分采动下地表最大下沉值;为煤 层倾角; n1, n2分别为沿倾向和走向的采动程度系 数. 3模拟结果分析 通过对上述各方案进行计算, 给出了各方案下 地表最大下沉值 W, 最大水平移动值 U 及下沉系 数q条, 见表 2. 为了便于分析, 给出了松散层厚度 不同时地表下沉和水平移动曲线, 见图 3 同时, 根 据模拟结果也绘出了各方案下松散层厚度与地表 最大下沉值 W, 最大水平移动值 U 及下沉系数 q条 回归曲线, 见图 4, 5. 图 3松散层厚度不同时地表曲线图 F3Sf ff 338 . ig.ur ace movement curves under di erent thick alluvium height 第 3 期刘义新等 巨厚松散层下深部宽条带开采地表移动规律 图 4松散层厚度对地表移动值的影响 Fig. 4Relationship between alluvium height and surface displacement and subsidence 图 5h/ H 对地表下沉系数的影响 Fig. 5Relationship between h/ H and subsidence factor 综合分析 FLAC 3D数值模拟结果及上述曲线 图及计算表, 得出 1 随着松散层厚度增大, 深部宽条带开采地 表下沉值和地表水平移动值均呈线性关系减少, 与 厚松散层矿区全采时下沉系数与松散层厚度呈线 性关系增加不同. 其中, 地表最大下沉值 W 与松散 层厚度 h 的函数关系式为 W -0. 0002h 0. 559 .2 2 巨厚松散层下深部宽条带开采地表下沉系 数 q条随松散层厚度 h 占采深H 覆岩厚度的比 例增大以相关性较大相关系数 R 0. 99 的线性 关系增大, 函数关系式如下 q条 0. 162 h/ H 0. 085 .3 3 相同开采深度及其它地质采矿条件相同 时, 松散层厚度对地表沉陷量和地表下沉系数的影 响比基岩层厚度大, 如表 2 所示. 4 巨厚松散层影响下深部宽条带开采地表不 易形成波浪型下沉盆地, 其移动变形规律与全采相 似, 地表下沉和水平移动曲线均关于地表最大下沉 点对称, 最大下沉点位于开采范围地表中心. 随松 散层厚度增加, 地表下沉盆地具有范围显著增加等 显著特点. 理论和实测结果已表明 松散层厚度占覆岩总 厚度百分比越大, 地表下沉系数就越大, 经计算得 所占百分比由 28增加到 58. 同时, 松散层作为 抗弯能力很低的松散介质覆盖于基岩之上, 不仅可 简化为自由载荷均布于基岩表面, 且自身也以流体 形式充填基岩下沉空间, 最终引起地表的下沉, 正 是松散层的流变性决定了地表移动盆地范围大, 这 种趋势随松散层厚度的增大而增大. 4应用实例 唐口矿地质采矿条件如下 [9] 平均采深为 1 010 m, 基岩厚度384 m, 松散层厚度 626 m, 采厚 4. 5 m, 条带采、 留宽均为 100 m, 采出率为 50 , 深部宽条采实施后, 地表下沉系数为 0. 16, 与表 2 模拟方案 5 地质采矿条件及模拟结果相似, 其结果 能满足工程要求. 但目前巨厚松散层下深部宽条带 开采应用实例比较少, 今后应加强应用实例对研究 结论的验证. 5结论 1 巨厚松散层下深部宽条带开采地表不易形 成波浪型下沉盆地. 随松散层厚度增加, 地表下沉 盆地范围显著增加, 下沉值和水平移动值均呈线性 关系减少等显著特点, 且松散层厚度对地表沉陷量 和下沉系数的影响比基岩层厚度影响大. 2 巨厚松散层下深部宽条带开采地表下沉系 数 q条随松散层厚度 h 占采深H 的比例增大以较 好线性关系增大, 函数关系式如下 q条 0. 162h/ H 0. 085. 3 主要原因是第四纪松散层厚度占覆岩总厚 度百分比大, 松散层是一种采动程度不同于基岩, 具有一定的流变性的松散介质. 参考文献 [1]郭文兵, 邓喀中, 邹友峰. 条带开采的非线性理论研 究及应用[ M]. 徐州中国矿业大学出版社, 2005. 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Journal of China Coal Society, 2006, 31 6 747 - 751. 采矿与安全工程学报 2009 年第 2 期被 Ei 收录论文收录率 100 论文题目第一作者 中国煤矿瓦斯抽采技术的发展程远平⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 采动影响对陷落柱活化导水机理数值模拟研究王家臣⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 高应力复杂煤层沿空巷道锚注支护数值模拟研究王连国⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三维地震动态解释技术在防治煤矿突水中的应用崔若飞⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 动力挠动对回采巷道冲击危险的数值模拟陈国祥⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 煤层底板陷落柱活化突水过程的数值模拟李连崇⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 深井大跨度切眼施工方式研究阚甲广⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 超长距离半煤岩巷围岩控制技术徐天彬⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 高瓦斯煤层群 煤与瓦斯共采 技术研究谢生荣⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 不同断层倾角条件下防水煤柱合理宽度的研究彭文庆⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 高应力软岩巷道变形特征及其支护参数设计李刚⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 基于 GIS 的综采地质条件模糊综合评价模型研究张华⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 初始应力对缝槽卸压效果影响的数值分析吴海进⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 高瓦斯易自燃超大俯采工作面的防灭火技术研究任万兴⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 锚固节理煤岩巷道的损伤力学研究王进学⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 神经网络法的采空区地基稳定性评价丁陈建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 厚煤层大采高全厚开采工艺研究与应用王学军⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 返修大断面硐室加固及数值模拟研究韦四江⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 露天煤矿拉斗铲作业效率研究陈彦龙⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 突出煤层卸压前后钻孔瓦斯涌出初速度的变化规律刘海波⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 印度柱壁式综采技术和设备戴秋梁⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 急斜近距煤层联合开采覆岩运移规律模拟张嘉凡⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 煤层顶板离层水体分布规律及防治技术探讨李凤荣⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 高温双向约束条件下石灰岩的组构分析秦本东⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 煤的元素分析对煤层吸附O 的影响研究刘永新⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 摘自V 340 C Engineeringillage