基于完整钻孔柱状数值模拟的岩层移动角求取_胡绍豪.pdf

基于完整钻孔柱状数值模拟的岩层移动角求取 胡绍豪 1， 2， 3 郭广礼 1， 2， 3 宫亚强 1， 2， 31 （1. 中国矿业大学环境与测绘学院， 江苏 徐州 221116； 2. 国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室， 江苏 徐州 221116； 3. 江苏省资源环境信息工程重点实验室， 江苏 徐州 221116） 摘要在矿山开采沉陷的计算中， 通常采用经验法来确定岩层移动的角值参数。但在我国西部的一些新建 矿区， 由于地表观测资料积累较少或缺乏临近的煤田作为类比， 应用经验法会有明显的缺陷， 如何合理地确定岩层 移动角就存在着困难。数值模拟法只要利用前期地质勘探的钻孔数据求取移动角， 而无需地表移动变形的观测资 料， 可以作为解决该问题的有效方法。但现有的研究普遍基于地层简化结果建模， 这势必引起一定的误差。为研 究基于完整钻孔柱状结果的数值模拟求取岩层移动角的可靠性， 分别基于地层全柱状结果和简化结果建立了 FLAC3D模型， 经过对比分析， 得出基于全柱状结果的FLAC3D模型计算结果与矿区后期实测的角值符合更好， 指出了 基于完整柱状建模求取岩层移动角是更加合理和准确的。 关键词钻孔地层全柱状数值模拟FLAC3D岩层移动角 中图分类号TD325文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -08-054-04 DOI10.19614/ki.jsks.201908010 Determination of Strata Displacement Angle Based on Numerical Simulation of Complete Borehole Column Hu Shaohao1， 2， 3Guo Guangli1， 2， 3Gong Yaqiang1， 2， 32 （1. School of Environment Science and Spatial Inatics， China University of Mining and Technology， Xuzhou 221116， China； 2. Key Laboratory for Land Environment and Disaster Monitoring of SBSM， Xuzhou 221116， China； 3. Key Laboratory of Resources and Environmental Ination Engineering of Jiangsu Province， Xuzhou 221116， China） AbstractIn the calculation of mining subsidence，empirical s are usually used to determine the displacement angle of strata. However， in some newly-built mining areas in western China， due to the lack of accumulation of surface obser- vation data or the lack of adjacent coal fields as an analogy， the application of empirical s has obvious defects. It is dif- ficult to rationally determine the displacement angle of strata . As long as the numerical simulation uses the drilling da- ta of the previous geological exploration to obtain the displacement angle，and does not need the observation data of the sur- face movement deation， it can be used as an effective to solve the problem. However， existing research is general- ly based on modeling results of stratigraphic simplification，which is bound to cause certain errors. In order to study the reli- ability of the rock movement angle based on the numerical simulation of the complete borehole column results，the FLAC3D model was established according to the full column results and simplified results. After comparative analysis，it is concluded that the calculation results of the FLAC3Dmodel based on the full column results are in good agreement with the measured an- gular values in the later part of the mining area. It is pointed out that it is more reasonable and accurate to obtain the rock movement angle based on the complete column modeling. KeywordsDrilling hole， Stratigraphic full column， Numerical simulation， FLAC3D， Strata displacement angle 收稿日期2019-07-05 基金项目国家自然基金科学基金面上项目 （编号 51674249） ， 国家重点研发计划项目 （编号 2018YFC0604704） 。 作者简介胡绍豪 （1996） ， 男， 硕士研究生。通讯作者郭广礼 （1965） ， 男， 教授， 博士研究生导师。 总第 518 期 2019 年第 8 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 518 August 2019 岩层移动角是开采沉陷预测工作中的一个重要 参数 ［1］， 通常被用来确定地表受采动影响的范围以及 设计保护煤柱的尺寸， 岩层移动角值求取偏大则无 法保证地表建筑物的安全， 角值偏小会使设计的保 护煤柱尺寸偏大， 造成资源浪费 ［2］。 在确定移动角方面， 常采用实测资料法和工程 类比法， 但这2种方法都依赖于地表实测资料。如郭 文兵等 ［3］运用我国典型的地表移动观测站资料作为 54 ChaoXing 学习训练样本和测试样本， 利用人工神经网络方法 求取岩层移动角； 柴华彬等 ［4］分析地表布设未严格平 行于工作面走向或倾向的观测线资料， 基于空间关 系推算了岩层的移动角； 朱刘娟等 ［5］通过分析地表移 动观测站的实测资料选取预计时的地表移动参数， 探讨岩层移动角随开采深度、 开采厚度及煤层倾角 等的变化规律， 建立了深部开采条件下移动角的计 算公式； 常兴建 ［6］在确定红岭铅锌矿岩层移动角时， 采用工程类比等方法来确定岩层移动角。 然而对于西部地区的新建煤田， 地表移动观测 资料相对较少， 东部矿区虽然积累了大量实测资料， 但东部与西部的地质采矿条件差异较大， 若直接将 西部与东部进行类比， 显然其求取的岩层移动角缺 乏合理性。这种情况下， 采用数值模拟来计算岩层 移动角就是一种有效的方法。在采用数值计算求取 移动角方面的研究较少， 其中刘飞等 ［7］参照花岗闪长 岩的物理力学参数建立某萤石矿的FLAC3D模型， 通 过模拟矿体在开采过程中发生的地表变形， 计算得 出矿区的岩层移动角； 成枢等 ［8］运用FLAC3D软件计算 了开采引起的地表及基岩内部的移动变形情况， 提 取绘制了地表以及基岩与松散层交界面的沉降等值 线， 确定了研究区域的松散层移动角值。然而这些 方法都使用了简化的岩层来建立数值模型， 这势必 导致一定的误差。因此本研究采用地层全柱状结果 建立数值模型， 并与简化模型得到的结果进行比较 分析。 1FLAC3D模型的建立 西部某矿地质构造简单， 首采煤层采厚约为6.5 m， 平均采深约为725 m， 煤层倾角小于8， 采用综采 一次采全高回采。回采工作面倾向长度约为300 m， 推进长度约为2 500 m。 1. 1基于地层简化结果的FLAC3D模型 以该矿地质采矿条件为原型， 将岩性类似、 物理 力学参数接近的地层合并在一起， 各简化岩层的物 理力学参数为对应非简化地层的平均值， 建立 FLAC3D数值计算模型如图1所示。 该模型计算单元采用摩尔-库伦本构关系， 各 岩层的物理力学参数如表1所示。模型从上到下共 划分为23层， 尺寸为4 000 m2 500 m763 m， 包 含 50 592 个单元和 54 912 个节点。模型回采范围 为1 000 m1 100 m， 均达到和超过了1.37倍采深。 模型的边界条件设置 模型的前、 后和左、 右边 界在水平方向设置变形速率为零， 固定在水平方向 的位移为零； 模型下边界固定在水平方向设置变形 速率均为零； 模型的上边界设置为自由变形边界。 1. 2基于全柱状结果的FLAC3D模型 基于全柱状结果建立的 FLAC3D模型如图 2 所 示。模型从上到下共划分为46层， 包含了50 000个 单元和54 366个节点。该模型的尺寸、 煤层埋深和 开挖范围均与上文简化后的模型相同， 均采用摩尔- 库伦模型， 且和简化的模型采用相同的边界条件。 由于该矿在建井过程中对井筒检查孔进行了全地层 取样并测得了各个岩层的物理力学参数， 本文通过 比较研究区域地层与井筒检查孔地层的岩性差异， 最终确定了本次基于全柱状结果的模型中各岩层的 岩石力学参数。 2计算与分析 为了确定岩层移动角的大小， 需要先确定模型 表面的临界变形值的位置。判断地表某点是否达到 了临界变形值， 以 建筑物、 水下、 铁路及主要井巷煤 柱留设与压煤开采规程 中对砖混结构建筑物临界 变形值的规定作为指标 ［9］ 倾斜i3 mm/m， 水平变形 ε2 mm/m， 曲率K0.2 mm/m2。通过FISH语言编程 提取开挖前后地表走向观测线上点的三维坐标变化 量来计算走向观测线上的下沉、 倾斜、 曲率和水平变 形等量。如图3、 图4和图5分别为2种模型沿走向观 测线上的倾斜、 水平变形和曲率对比图。 对比图3、 图4和图5可以看出， 在走向主断面上 相同位置处， 基于地层简化模型求取的变形值要比 基于全柱状模型求取的变形值整体偏大。其中， 在 基于地层简化结果的模型中， 地表移动盆地主断面 上达到临界变形值的最外侧点到停采线的距离为 508.1 m， 结合采深725.6 m计算得到的岩层移动角为 55； 在基于全柱状结果的模型中， 移动盆地主断面上 达到临界变形值的最外侧点到停采线的距离为 206.3 m， 计算得到的岩层移动角为74。 此外， 本文利用该矿区后期地表有限的实测资 料， 经分析得出该矿区岩层移动角近似为70， 可以 看出， 基于全柱状结果的数值模拟得到的岩层移动 角与实测结果更为接近， 效果更好。 3主要结论 （1） 本文基于地层全柱状结果建立了FLAC3D数 胡绍豪等 基于完整钻孔柱状数值模拟的岩层移动角求取2019年第8期 55 ChaoXing 值模型， 求取的岩层移动角值为74。与矿区实测结 果符合较好， 验证了基于全柱状结果的数值模型求 取岩层移动角的可行性， 对于西部地区的新建煤矿 求取岩层移动角， 具有一定的借鉴意义。 金属矿山2019年第8期总第518期 56 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ （2） 基于地层简化结果的数值模型求取的岩层 移动角值与矿区实测结果相差较大， 因此在利用数 值建模方法来模拟开采沉陷时， 为了使数值模拟的 结果与真实情况更加接近， 应当尽可能减少对地层 的简化。 参 考文献 Whittaker B N，Reddish D J. 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Xuzhou China University of Mining and Technology Press， 2014 144. （责任编辑石海林） 胡绍豪等 基于完整钻孔柱状数值模拟的岩层移动角求取2019年第8期 57 ChaoXing