煤层开采覆岩破坏与地表变形规律的数值模拟.pdf

煤层开采覆岩破坏与地表变形规律的数值模拟 摘要基于研究矿区煤层覆岩的地质条件， 结合数值模拟方法， 研究了厚松散层薄基岩条件下不同采宽采厚开采 的覆岩破坏与地表移动变形规律， 得到了覆岩导水裂隙带高度随放采比及采厚增大而增大的结论， 提出了该采区 防水防砂技术， 控制采高， 加强顶板管理， 为煤层的安全开采提供依据， 为提高煤炭资源的开采率做出科学的分析 和建议。 关键词数值模拟；煤层开采；覆岩破坏；地表沉降 中图分类号TD98文献标识码A文章编号1008-8725 （2010 ） 08-0061-03 Numerical Simulation of Law of Overburden Failure and Surface Movement Due to Mining Under Thick Unconsolidated Layers JI Yu-bing, YANG Wei-feng, ZHAO Guo-rong, SHEN Ding-yi （College of Resources and Geoscience, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China ） AbstractBased on the geological conditions of the overburden in research coal field, combining with the finite element numerical simulation, the rule of the overburden failure and the surface movement were analyzed under the different exploitation width and exploitation thickness in con－ dition of the thick unconsolidated layers and thin bedrock. The conclusion was obtained that the height of water flowing fractured zone increased along with the increasing of the caving ratio and exploitation thickness. Some suggestions were put forward that the sand and water preven－ tion technologies about the coal mine was controlling exploitation height and enhancing the roof management. The references were providing for the coal safty mining to make scientific analysis and recommendations for raising the rate of exploitation of coal resources. Key wordsnumerical simulation; coal mining; overburden failure; surface subsidence 收稿日期2009-12-25;修订日期2010-05-15 基金项目 国家自然科学基金青年科学基金项目 （40802076 ） ， 江苏省普通高校研究生科研创新计划项目 （CX07B_148z ） 作者简介吉育兵 （1986- ） ， 男， 河南洛阳人， 硕士研究生， 研究方向 地质工程与煤矿工程地质， E-mail jybhjh163com。 吉育兵，杨伟峰，赵国荣，沈丁一 0引言 由于资源的开采， 煤层直接顶板在自重力及上覆岩层的 作用下， 产生向下的移动和弯曲， 当其内部应力超过岩层的 抗拉强度极限时， 直接顶断裂、 破碎并冒落， 老顶岩层以梁 或悬臂梁弯曲的形式， 沿层理面法线方向移动、 弯曲， 进而 断裂、 离层、 冒落并向上传播到地表， 形成下沉[1]。 随着煤炭资 源的大量开采， 许多地区形成了大规模、 大范围的采空塌陷 区。 给人民群众的生命财产带来了巨大的损失和威胁， 而且 地表沉陷的治理耗资巨大。 因此， 进行开采沉陷以及覆岩破坏规律的研究， 对控制沉 陷、 生态环境的保护， 对我国煤炭工业的发展， 具有重大的现 实意义和深远意义， 也是煤炭行业走可持续发展所不容忽视 的课题[2]。 1研究区地质特征 潞安矿区某煤矿位于沁水煤田东部， 井田大地构造位置 处于我国东部新华夏构造体系第三隆起带的中段， 亦即太行 山隆起带， 该带系一西缓东陡的大型复背斜隆起。 井田整体 呈一走向 NNE、 倾向 NW、 倾角 4左右的单斜构造， 并伴有 宽缓的褶曲和少量的断裂构造。 井田山西组为本井田的主要含煤层之一， 其中的 3煤层 为主要可采煤层。 本组厚度 45.6765.10m， 平均为 57.36 m。 底 部以 K7砂岩与下伏地层呈整合接触。 由砂岩、 粉砂岩、 泥岩 及煤层组成。 本组以色浅、 含砂成分较高、 交错层理发育、 生 物扰动构造多、 植物化石丰富为特点， 属滨海三角洲沉积。 3 号煤层厚 5.477.80 m， 平均为 6.62m， 全井田稳定可采， 其 直接充水含水层为富水性较弱的山西组砂岩裂隙含水层。 区 域地层除西部外缘出露上石盒子组地层外， 其余均为第四系 所覆盖。第四系区内广泛分布，井田内最大的揭露厚度为 198.85 m， 主要有亚砂土、 亚粘土、 粘土、 砂组成， 底部含砾石 层。 第三系上新统为一套山麓洪积相沉积， 平均厚 10.6 m， 为 （ 中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116 ） 开采技术 “ “ “ “ 第 29 卷第 8 期 2010 年8 期 煤炭技术 Coal Technology Vol.29,No.08 August,2010 煤炭技术第 29 卷 62 粘土、 亚粘土与砂岩互层。 底部含砾石层。 与下伏地层呈角度 不整合接触。 2煤层开采覆岩变形破坏的数值模拟 2.1数值模型的建立 数值模型依据井田 3煤层的工程地质和各钻孔所揭露 的工程地质岩组的情况， 计算模型剖面长 500m， 宽 168.5m， 煤层厚度为 6.5m， 表土层厚 90m， 上伏岩层厚 52 m， 底板岩层 为 20 m。 研究不同采宽和采厚情况下， 覆岩变形破坏的规律 及对地表变形的影响程度，为煤层的安全开采提供理论依 据。 具体的设计方案如下 方案一 采厚和采长不变， 考虑采 宽分别为 100 m， 150 m， 200 m 的情况； 方案二 采宽为 150 m或 200 m， 考虑开采煤层厚度为 3 m， 6 m的情况。 各方案模 拟的地表沉降形态图、 地表水平移动形态图、 各种形态的应 力分布图等均由数值模拟结果得到。对这些图进行处理， 可 以得到各种情况下垂直变形和水平变形的曲线，通过分析， 得到煤层开采引发的覆岩破坏规律以及地表沉降的变化规 律。 2.2模拟结果的分析 2.2.1覆岩变形及破坏分析 （1 ） 以方案一为例， 由于采宽小， 覆岩的位移和变形不明 显，所以在此仅考虑采宽为 150 m， 200 m 时，纵向深度为 63.5 m、 78.5 m 处水平变形的曲线， 如图 1 （a ） 、 图 1 （b ） 、 图 2 （a ） 及图 2 （b ） 。 把各种情况垂直变形曲线上得到的沉降最大 值汇总如表 1。 比较图 1 （a ） 和图 1 （b ） , 图 2 （a ） 和图 2 （b ） ， 看出在采宽 相同的情况下， 越远离采空区， 越靠近地面， 水平位移的变化 越明显， 变形值越大； 比较图 1 （a ） 和图 2 （a ） , 图 1 （b ） 和图 2 （b ） ， 在纵深相同， 即距采空区同等的距离， 随着采宽的增大， 水平位移的变化越明显， 变形值越大。 同样的， 垂直位移的变 化也符合此规律。 由表 1， 在采宽为 150 m 时， 纵深 63.5 m 处垂直位移的 最大值为 0.43 m， 78.5 m 处的为 0.45 m， 显然地， 在采宽相同 的情况下， 随着纵深的增大， 即随采空区距离的增大， 垂直位 移的变形也随之增大； 在纵深为 78.5 m 时， 采宽 150 m 时的 垂直位移最大值为 0.45 m， 采宽 200 m时的最大值为 0.90 m， 近似于 150 m时的两倍， 可以得到， 在纵深相同的情况下， 随 着采宽的增大， 垂直位移的变化越大， 变形值越大[3]。 （2 ） 由方案二， 由于煤层开采引发的垂直变形才是关键， 因此， 仅考虑采宽为 150 m， 200 m 时， 采厚为 3 m， 6 m 时垂 直沉降的情况， 把各种情况垂直变形曲线上得到的沉降最大 值汇总见表 2。 由表 2， 在采宽为 150 m时， 采厚 3 m处垂直沉降的最大 值为 0.450 m， 6 m 处的为 0.490 m，显然在采宽相同的情况 下， 随着采厚增加， 垂直沉降随之增加； 当采厚为 6 m 时， 采 宽 150 m 的垂直位移为 0.490 m，采宽 200 m 时为 0.890 m， 可以看出， 在采厚相同的情况下， 随着采宽的增大， 变形越 大， 垂直沉降值越大。 （3 ） 通过对应力分布图的分析， 可以初步得到采厚 3 m 时导水裂隙带的高度为 40.5 m；采厚 6 m 时导水裂隙带的 高度为 47 m。 显然， 随着采厚增加， 垮落带和导水裂隙带的 发育高度明显增加， 导水裂隙带高度约为采厚的 813 倍。 由 建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采 规程 提供的导水裂隙带发育高度与采厚的预测公式， 计算出 采厚为 3m时的导高为 30.1m～41.3 m，约为采厚的 10～14 倍， 平均值为 35.7 m； 采厚 6 m 时的导高为 40 m～51.1 m， 约 为采厚的 7～9 倍。 2.2.2地表沉降分析 由数值模拟结果， 可以得到不同采宽和采厚引起的地表 沉降量。 由此， 可以作出地表沉降量与采宽及采厚的关系曲 线， 如图 3 （a ） 和 3 （b ） 。 由图 3 （a ） ， 随着采宽增加， 竖向变形增加， 地表的沉降量 增大。 其原因在于采空区上方裂隙带之上的弯曲带岩层本身 可自成平衡压力拱， 采宽越大， 压力拱的曲率越小， 压力拱 效应越不显著， 采空区对地表的影响也就越大。 由图 3 （b ） ， 随着开采厚度的增加， 地表的沉降迅速增 加。其原因在于采空区上方垮落带的高度与开采厚度成正 比。 由此， 随着开采厚度增大， 会引起较大的垮落带， 随之裂 表 1各种情况下垂直变形最大值汇总表 图 2采宽 200m 水平变形曲线 b 采宽 200m 纵深 78.5m 水平变形曲线a 采宽 200m 纵深 63.5m 水平变形曲线 图 1采宽 150m 水平变形曲线 b 采宽 150m 纵深 78.5m 水平变形曲线a 采宽 150m 纵深 63.5m 水平变形曲线 表 2各种情况下垂直变形最大值汇总表 采宽/m 150 200 0.450 0.850 0.490 0.890 纵深/m 36 采宽/m 150 200 0.43 0.87 0.45 0.90 纵深/m 63.578.5 图 3地表沉降量与采宽和采厚的关系 a 地表沉降量与采宽关系图b 地表沉降量与采厚关系图 特厚煤层综放工作面回撤通道位置的研究确定 收稿日期2010-03-22;修订日期2010-05-15 作者简介王晓 （1986- ） ， 男， 山西芮城人， 硕士研究生， 研究方向 矿山压力与岩层控制。 王晓1， 2，姬王鹏1， 2，李西蒙1， 2，刘锋1， 2，张宁波1， 2 （ 1． 中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；2． 中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐 州 221116 ） 摘要回撤通道位置能否合理的确定， 决定着工作面能否正常的接替。 安家岭二号井工矿 B902 综放工作面, 就 曾因回撤通道未能确定好而耽误了不少时间。 文章通过 UDEC 数值模拟来分析研究合理的回撤通道位置。 关键词数值模拟；回撤通道；停采线 中图分类号TD80文献标识码A文章编号1008-8725 （2010 ） 08-0063-03 Study on Position of Withdrawal Entry in Fully Mechanized Caving Face of Extremely Thick Coal Seam WANG Xiao1,2, JI Wang-peng1,2, LI Xi-meng1,2, LIU Feng1,2, ZHANG Ning-bo1,2 （1. College of Mines, China University of Mining withdrawal entry; stopping line 0概述 安家岭井工矿9煤 B902 工作面位于安太堡不采区， B902 工作面北西部为安太堡矿边帮保安煤柱， 北东部为 B903 设计工作面， 北西部为 B901 工作面， 南东和南西为 2井 3 条大巷及井筒保安煤柱。 工作面标高 1 226.0～1 287.2 m， 工作 面面积 379 440 m2， 工作面走向长度 1 581 m， 工作面长度 200 m。 工作面老顶为粉砂岩， 约 4.64～8.25 m,直接顶为砂质 泥岩 2.36～5.83 m， 伪顶为炭质泥岩 0.07～0.94 m， 直接底泥 为灰层及泥岩， 约 0.91～5.13 m。 工作面煤厚 12.96～13.45m， 平均13.14m， 采高3.2m， 平均放煤高度 9.94 m， 采放比 1 3.1。 该面割煤步距为 0.8 m,每割煤一刀放煤一次,确定放煤步距 0.8 m。 第 29 卷第 8 期 2010 年8 期 煤炭技术 Coal Technology Vol.29,No.08 August,2010 隙带、 弯曲带的影响范围上升， 对地表沉降的影响程度必然 要增强[4]。 3结论 （1 ） 通过对数值模拟结果分析， 得到覆岩变形的一般规 律 地表移动稳定后， 盆地走向主断面的下沉曲线大致位于 采空区正上方， 基本以最大下沉点为中心对称分布； 水平变 形曲线各点的移动指向盆地中心， 曲线形态关于最大下沉点 对称。 随着采宽和采厚的增大， 变形越大， 水平位移和垂直位 移越大。 （2 ） 地表沉降量与采宽和采厚的关系 随着采宽增加， 竖 向变形增加， 地表的沉降量增大。 其原因在于采空区上方裂 隙带之上的弯曲带岩层本身可自成平衡压力拱，采宽越大， 压力拱效应越不显著， 采空区对地表的影响也就越大。 随着 开采厚度的增加， 地表的沉降迅速增加。 其原因在于采空区 上方垮落带的高度与开采厚度成正比。 由此， 随着开采厚度 增大， 会引起较大的垮落带， 随之裂隙带、 弯曲带的影响范围 上升， 对地表沉降的影响程度必然要增强。 （3 ） 通过对应力分布图进行分析,对比理论计算公式， 得 到了采厚为 3 m， 6 m 时导水裂隙带的发育高度为 40.5 m 和 47 m。 提出该采区的防水防砂技术应控制采高， 使覆岩冒裂 带的高度不致波及第四系底部含水层； 加强顶板管理， 控制 顶板的不均匀垮落， 杜绝漏冒顶事故发生。 参考文献 [1]夏林发,郑志刚.厚松散层综放开采地表沉陷规律及特点[J].矿山 测量， 2007,2. [2]谢和平.可持续发展与煤炭工业报告文集[M].北京 煤炭工业出 版社， 1998． [3]王遗南.预计导水裂隙带的应力分析方法[J].北京 煤炭学报, 1982,1. [4]黄志安, 童海方.采空区上覆岩层 “三带” 的界定准则和仿真确 定[J].北京 北京科技大学学报,2006,7. （责任编辑王秀丽 ）