仇圣華吳志平程洪良胡克峰張志敏

(1.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院城市建設(shè)與安全工程學(xué)院,上海市漕寶路,200235) (2.山東華寧礦業(yè)集團(tuán)有限公司,山東省寧陽縣,271400)

★煤炭科技·開拓與開采 ★

緩傾斜煤層開采沉陷的三維有限元模擬＊

仇圣華1吳志平1程洪良2胡克峰2張志敏2

(1.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院城市建設(shè)與安全工程學(xué)院,上海市漕寶路,200235) (2.山東華寧礦業(yè)集團(tuán)有限公司,山東省寧陽縣,271400)

根據(jù)某井田內(nèi)煤層賦存狀況及斷層特征等,通過對(duì)小斷層、厚度較小地層的歸并,建立了區(qū)域三維地質(zhì)概化模型,并進(jìn)行三維有限元模擬計(jì)算分析,得出該區(qū)域內(nèi)緩傾斜煤層開采后其地表變形值。

緩傾斜煤層 煤層開采 地表變形 地質(zhì)概化模型 計(jì)算機(jī)模擬

AbstractOn the basis of the occurrence conditions of coal seams and the characters of the faults in a certain mine field,small and similar contiguous faults and thin strata are incorporated in the study to establish a three-dimensional general geological model to carry out the three-dimensional finite element(FEM)simulation analysis,which produces the ground deformation values as a result of the coal mining in the gently inclined coal seams in this region.

Key wordsgently inclined coal seam,coal mining,ground deformation,general geological model,computerized simulation

1 工程概況

某井田范圍內(nèi)主采煤層為3上煤層和3下煤層,煤層均為單一結(jié)構(gòu),煤層傾角19°,3上煤層平均厚5.2 m,3下煤層平均厚1.3 m。井田范圍內(nèi)地表為粘土、黃土,以粘土為主。隨后從上往下依次為紅砂巖、粘土巖、中砂巖、粘土巖、中砂巖、粘土巖、細(xì)砂巖、3上煤層、砂質(zhì)粘土頁巖。3下煤層、細(xì)砂巖及砂質(zhì)頁巖。3上煤層平均埋深174 m。

該區(qū)域內(nèi)主要有 F26、F1-4、F1-5、F1-6、F23和Fx-2等張性斷層,它們對(duì)煤層開采極為不利。其特征如下:

(1)F26,傾角20～70°,取48°,落差 H=100 m。

(2)F1-4,傾角50°,落差 H=0-10 m,取6 m;F1-5,傾角50°,落差 H=8 m。

為便于模擬計(jì)算,將這兩條小斷層歸并為一條,且位于這兩條斷層之間。

(3)F1-6,傾角40～50°,落差 H=10 m。

(4)F23,傾角25～55°,取42°,落差 H=70 m。

(5)Fx-2,傾角45°,落差 H=10～25 m。

井田范圍內(nèi)煤層剖面示意圖見圖1。

圖1 煤層剖面示意圖

2 三維有限元模擬模型的建立

2.1計(jì)算區(qū)域

模型計(jì)算區(qū)域取長(zhǎng)450 m,寬400 m,深250 m,平面尺寸為450 m×400 m。上部邊界取至地表,下部邊界取至第11層——擬開采煤層的下表面以下134.97 m。

2.2 模型坐標(biāo)體系

三維有限元模擬模型的總體坐標(biāo)系的 X軸與煤層剖面方向一致,即從左3上煤層到右3下煤層; Y軸方向從計(jì)算邊界的下部到上部表面;Z軸方向按右手螺旋垂直紙面,沿煤層走向,見圖2。

圖2 幾何模型圖

2.3 邊界條件

計(jì)算上部邊界為自由邊界,下部邊界為位移約束邊界,側(cè)向邊界在垂直于表面的水平方向?yàn)槲灰萍s束邊界,豎向?yàn)樽杂勺冃芜吔纭?/p>

2.4 單元?jiǎng)澐?/p>

采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元離散各層地層及煤層,見圖3。應(yīng)用最大拉應(yīng)力判據(jù),結(jié)合Drucker-Prager準(zhǔn)則來確定煤層開采的應(yīng)力、位移及可能出現(xiàn)的破壞范圍,以此來確定區(qū)域地層的穩(wěn)定性及該區(qū)域煤層開采地表變形規(guī)律等。

圖3 三維網(wǎng)格圖

2.5 巖層參數(shù)

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)勘探報(bào)告及室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,巖層主要力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 地層力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

2.6 回采工作面的布置及模擬計(jì)算

鑒于回采區(qū)域地質(zhì)條件比較復(fù)雜,擬布置3100和3102兩個(gè)回采工作面。

(1)3100回采工作面及其尺寸。

回采工作面擬簡(jiǎn)化為 3塊,其中第一條帶(塊) (簡(jiǎn)稱左一)寬40 m×長(zhǎng)120 m,第二條帶(塊) (簡(jiǎn)稱左二)寬20 m×長(zhǎng)120 m,第三條帶(塊) (簡(jiǎn)稱左三)寬40 m×長(zhǎng)120 m。其中擬回采的3上煤層左側(cè)離左邊界174 m;擬回采的3下煤層左側(cè)離左邊界180 m。

(2)3102回采工作面及其尺寸。

3102回采工作面擬簡(jiǎn)化為4塊,其中第一條帶 (塊)(簡(jiǎn)稱右一)寬28 m×長(zhǎng)120 m,第二條帶 (塊)(簡(jiǎn)稱右二)寬14 m×長(zhǎng)120 m,第三條帶 (塊)(簡(jiǎn)稱右三)寬10 m×長(zhǎng)120m,第四條帶 (塊)(簡(jiǎn)稱右四)寬20 m×長(zhǎng)120 m。其中擬回采的3上煤層左側(cè)離左邊界為294 m;擬回采的3下煤層左側(cè)離左邊界為286 m。

(3)回采3100工作面工況設(shè)計(jì)。

工況1。開采左一的寬40 m×長(zhǎng)120 m與左三的寬40 m×長(zhǎng)120 m塊段。

工況2(后退20 m)。開采左一的寬40 m×長(zhǎng)100 m與左三的寬40 m×長(zhǎng)100 m塊段。

工況3(后退40 m)。開采左一的寬40 m×長(zhǎng)80 m、左二的寬20 m×長(zhǎng)80 m及左三寬40 m×長(zhǎng)80 m塊段。

工況4(后退20 m)。開采左一的寬40 m×長(zhǎng)100 m(總長(zhǎng)度減少20 m)、左二的寬20 m×長(zhǎng)100 m及左三的寬40 m×長(zhǎng)100 m塊段。

工況5(后退40 m)。開采左一的寬40 m×長(zhǎng)80 m和左三的寬40 m×長(zhǎng)80 m塊段。

工況6(后退40 m)。開采左一的寬30 m×長(zhǎng)80 m與左三的寬30 m×長(zhǎng)80 m塊段。

(4)回采3102工作面工況設(shè)計(jì)。

工況1。開采右一的寬28 m×長(zhǎng)120 m、右三的寬10 m×長(zhǎng)120 m和右四的寬20 m×長(zhǎng)120 m塊段煤層。

工況2。開采右一的寬28 m×長(zhǎng)120 m、右二的寬14 m×長(zhǎng)120 m、右四的寬20 m×長(zhǎng)120 m塊段煤層。

(5)同時(shí)回采3100與3102工作面工況設(shè)計(jì)。

工況1。回采3100工作面左一寬40 m×長(zhǎng)80 m(總長(zhǎng)度減少40 m)、左三寬40 m×長(zhǎng)80 m;回采3102工作面右一寬28 m×長(zhǎng)120 m、右三寬10 m×長(zhǎng)120 m、右四寬20 m×長(zhǎng)120 m塊段煤層。

工況2?；夭?100工作面左一寬40 m×長(zhǎng)120 m、左二寬20 m×長(zhǎng)120 m、左三寬40 m×長(zhǎng)120 m的三塊段;回采3102工作面右一寬28 m×長(zhǎng)120 m、右二寬14 m×長(zhǎng)120 m、右三寬10 m ×長(zhǎng)120 m、右四寬20 m×長(zhǎng)120 m的四塊段煤層。

模擬計(jì)算時(shí),綜合考慮各因素影響程度,對(duì)部分地層彈性模量進(jìn)行了適當(dāng)折減。

3 三維模擬計(jì)算結(jié)果

同時(shí)回采3100與3102工作面時(shí)地表變形如圖4所示。

通過有限元模擬計(jì)算結(jié)果:開采3100工作面時(shí)地表最大垂直變形為454 mm,開采3102工作面時(shí)水平方向最大變形13 mm。在3100、3102工作面錯(cuò)時(shí)開采與這兩個(gè)工作面同時(shí)回采過程中,地表垂直變形變化較小。隨著回采工作的繼續(xù),區(qū)域地表逐漸形成盆地,最大垂直變形位于開采煤層中心點(diǎn)法線方向。當(dāng)3100、3102兩工作面同時(shí)回采時(shí),地表垂直變形達(dá)到最大值520 mm。

圖4 兩工作面同時(shí)回采 (工況1)時(shí)地表變形圖

4 結(jié)論

地下煤層開采后導(dǎo)致頂板冒落、覆巖斷裂、離層,并引起地表發(fā)生移動(dòng)變形,最終形成下沉盆地。隨著地下煤層的不斷開采,地表損害越來越嚴(yán)重。

通過對(duì)井田內(nèi)地下緩傾斜煤層在多種回采工況下,煤炭回采后地表變形的預(yù)測(cè)研究,得出如下結(jié)論:

(1)在3100、3102工作面錯(cuò)時(shí)開采與這兩個(gè)工作面同時(shí)回采過程中,地表垂直變形沒有明顯變化。隨著回采繼續(xù),區(qū)域地表逐漸形成盆地,最大下沉位置位于開采煤層中心點(diǎn)法線方向;

(2)通過對(duì)多種工況下地下緩傾斜煤層開采后的地表垂直變形預(yù)測(cè)結(jié)果的對(duì)比,同時(shí)回采3100、3102工作面和錯(cuò)時(shí)分別回采3100、3102工作面對(duì)地表產(chǎn)生的垂直變形差別較小,這與煤層的埋深、上覆巖層厚度及其力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān);

(3)研究建立的用于區(qū)域內(nèi)地下緩傾斜煤層開采地表變形預(yù)測(cè)的三維區(qū)域地質(zhì)概化模型方法可行,計(jì)算結(jié)果為該礦開采區(qū)域緩傾斜煤層引起的地表變形狀況提供定量依據(jù),為該礦科學(xué)安全開采區(qū)域煤層具有重要指導(dǎo)價(jià)值。

[1]張永吉,陳剛.開采引起地表沉陷規(guī)律的有限元分析[J].礦山壓力與頂板管理,2005,12(1)

[2]武雄,任仲宇.煤層開采對(duì)周邊重要文物安全的影響研究 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(6)

[3]姚普,肖利佳.有限元數(shù)值模擬在煤炭溝煤層開采中的應(yīng)用 [J].現(xiàn)代礦業(yè),2009,483(7)

[4]王先偉,賀可強(qiáng).有限元強(qiáng)度折減法在礦山開采中的應(yīng)用 [J].青島理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,27(3)

[5]劉寶琛,廖國(guó)華.煤礦地表移動(dòng)的基本規(guī)律 [M].北京:中國(guó)工業(yè)出版社,1965

3-D finite element simulation of ground subsidence resulting from mining in gently inclined coal seams

Qiu Shenghua1,Wu Zhiping1,Cheng Hongliang2,Hu Kefeng2,Zhang Zhimin2
(1.School of Urban Construction and Safety Engineering,Shanghai Institute of Technology, Caobao Road,Shanghai 200235,China; 2.Shandong Huaning Mining Group Co Ltd,Ningyang,Shandong province 271400,China)

TD325

B

仇圣華 (1967-),男,江蘇人,1994年畢業(yè)于山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,碩士學(xué)位; 2002年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué),獲工學(xué)博士學(xué)位;高級(jí)工程師,副教授?，F(xiàn)從事地下結(jié)構(gòu)工程及工程管理方面教學(xué)與研究工作,發(fā)表論文二十多篇。

(責(zé)任編輯 張毅玲)

本文得到上海市教委重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目(J51502)和學(xué)校引進(jìn)人才基金項(xiàng)目 (YJ2008-11)資助。