带压开采底板突水破坏的数值实验.pdf

第 20卷 第 3期 2006年 6月 资源环境与工程 Resources Environment2 . 中国矿业大学 能源学院, 江苏 徐州 221008 摘 要 利用 ANSYS, 对多因素影响下的底板突水破坏进行数值模拟分析 随着开采的进行, 煤层底板采 空区中部出现拉应力区; 开采区域两侧的底板岩体内, 距离岩壁 10m 15m的范围是应力峰值区; 底板岩 层内部应力分布随着开采的进行而不断变化。底板塑性区随着开采而向深部发展。 关键词 底板; 数值模拟; 突水 中图分类号TU459 文献标识码A 0 引言 中国的煤炭储量非常丰富, 煤矿的分布范围也 很广, 其中大量属石炭二叠纪含煤岩系, 它的基底是 以含石膏的岩溶发育、 含水性强的奥陶纪碳酸盐岩。 由于煤系底部有灰岩承压水含水层的存在, 所以矿 井在开采过程中, 常常受到岩溶承压水突水的威胁。 随着采深加大, 承压水底板的突水破坏问题也就越 来越严重 [ 1]。本文研究的目的是在煤层采动过程 中, 承压底板在各种地质条件综合作用下的破坏情 况, 底板岩层在采动过程中的变化规律。 1 计算模型的建立 计算模型参考西山煤电集团屯兰矿的地质条件 3 煤以下距石灰岩含水层, 约为 31m, 其中岩层岩性 分别为碳质页岩、 煤与泥岩互层、 细砂岩、 中砂岩、 煤、 细砂岩 [ 2]。结合数值计算的特点[ 3, 4], 考虑到约束的 影响效应, 确定承压底板的计算模型 见图 1, 模型 研究范围为长 高 200m 150m的矩形结构体, 工 作面采高 5m; 煤层埋深在 300 m、 400 m、 600 m 之间 变化, 边界条件取位移边界条件, 在模型的左右两边 界施加水平约束, 模型的底部边界施加垂直约束。模 型在距离左边界 50 m 处开挖, 总共开挖66m。对计 算模型范围内的分层岩层中物理性质相近的岩层, 简 化为单一岩层。根据现场实际地质资料,将数值计算 模型, 简化为 5个岩层的结构体进行研究。在模型 的最上部为细砂岩, 依次往下, 分别为泥岩、 煤、 中砂 岩、 粘土。各岩层的材料参数见表 1 。 图 1 底板有限元计算模型 F ig1 Calculation model for floor finite elements 表 1 数值模拟材料参数 Table 1 NumericalS i mulation materical parameters 岩性弹模 MPa泊松比 摩擦角 凝聚力 MPa 摩擦 系数 密度 / kg m- 3 细砂岩6 . 570 . 30335 . 480. 652 500 泥岩5 . 340 . 24284 . 450. 532 600 煤1 . 450 . 38221 . 210. 401 500 中砂岩4 . 840 . 30304 . 030. 582 400 粘土4 . 040 . 22283 . 370. 532 000 收稿日期2005- 10- 24 ; 改回日期2005- 11- 30 作者简介 吴双宏 1973- , 男, 工程师, 矿井建设专业, 从事路、桥、隧道施工管理工作。E- mai lzhyuan111 163. com 2 模型的加载与单元剖分 根据实际地质条件, 在模型上方施加面载荷来 代替采场所承受的上部的岩层自重应力。并对面载 荷进行改变, 改变上覆岩层自重, 模拟采场的深度变 化。对于断层采用软弱结构体进行模拟, 断层面与 图 2 完整底板模型网格示意图 F ig2 Full floormodel gridding 周围岩体的接触面进行粘合, 断层宽度设定为 1m; 采用 ANSYS软件中构造线 线的原理, 构造底板岩 层裂隙, 参照岩体中裂隙的实际情况, 对于裂隙两侧 的岩体接触面不进行粘合。本模型采用八节点的四 边形等参单元对含水单元进行赋值模拟, 模型下方 加载节点力, 模拟奥灰水的水压作用 [ 5] 。整个模 拟范围内单元的大小为 2 . 5 m 2 . 5 m, 在采场底板 研究范围, 进行网格的一级细化。模型的单元网格 如图 2所示, 计算模型采用 Drucker- Prager塑性屈 服准则作为屈服条件, 即 f I1J2- K 式中 I1∀∀∀ 第一应力不变量; J2∀∀ ∀ 第二应力偏张量不变量; 2sin∀ 3 3- sin∀ K 6ccos∀ 3 3- sin∀ 其中 c∀∀∀ 内聚力, ∀∀∀∀ 内摩擦角 。 3 计算结果分析 A 底板应力分布 以开切眼煤壁作为零位点, 向工作面推进方向 为正, 取每隔 5 m 一个点, 作为分析的对象, 经过数 值模拟计算, 可以看出在采动过程中底板岩层中应 力的分布情况如图 3所示。 1 煤层底板, 水平方向上有两个应力增高区, 位于两侧煤壁内, 工作面前方的应力值, 略大于采空 区后方的应力值, 这是由于后方的应力增高区, 在开 采过程中, 其受力状态很稳定, 所以尽管很小, 但是 仍然缓慢地释放岩体中储存的应变能; 而处于前方 的岩体在开采过程中, 由于工作面的推进, 来不及释 放应变能, 造成了应变能的积累。 ANSYS公司, ANSYS使用手册。 245 第 3期吴双宏等 带压开采底板突水破坏的数值实验 图 3 底板岩层应力分布 Fig3Stress distribution of floor rock layer 2 处于煤壁与采空区附近区域内的应力变化 很剧烈, 尤其在邻近煤壁的地方, 由于应力的急剧变 化, 很容易遭受破坏而形成破坏带; 处于采空区中部 的底板, 由于可能会有拉应力的出现, 而导致底板岩 层的受拉破坏形成破碎带。随着采空区面积的加 大, 采空区中部的拉应力区域逐渐增大, 导致底板大 面积的破坏, 加大了突水的危险性。 3 在两侧煤壁以内, 水平方向上底板岩体的 应力呈现平缓的降低趋势, 逐步降低到一个稳定值, 即原岩应力。 B 底板发展破坏 未开挖时, 底板岩层整体受压, 内部应力的分布 是均匀的、 平缓的。随着煤层的开采, 底板内部应力 重新分布, 采空区两侧出现了应力增高区域, 两侧塑 性区呈现对称分布。塑性区的形态为 倒马蹄形 ∃, 见图 4 , 开切眼处的煤层底板形成了一个永久的塑 性破坏区, 工作面前方煤壁底板的塑性区破坏区不 断前移, 工作面向前推进时, 底板的应力峰值不断增 大, 塑性区破坏区以扇形向下不断扩大。 煤壁附近底板由于应力集中形成压、 剪破坏。开 图 4 应力等值线 Fig4Stress isolines 246 资源环境与工程 2006年 采过程中由于应力集中, 底板最大破坏深度不断增 加, 底板破坏区不断发展。结合应力场分析, 可知底 板的塑性破坏是上覆岩层载荷转移而形成的应力重 新分布的直接结果, 并随工作面的开采, 底板塑性区 逐步扩大。前方塑性区在深度和宽度上都较后方塑 性区大。 工作面推进过程中, 采空区的底板岩体内应力 急剧减小, 部分区域出现了拉应力区, 而且随着工作 面的推进, 拉应力区域不断扩大, 并以与水平夹角约 为 60 向下扩展, 最大拉应力也随之增高, 底板岩体 经受高压应力产生的闭合裂隙, 由于受拉导致裂隙 张开、 扩大, 产生底板破坏带。随着工作面的不断推 进, 底板破坏带也不断前移。 4 结论 本文对采场工作面底板所赋存的各种地质条 件、 影响因素对底板的应力分布、 底板的破坏深度影 响的相关规律进行了探讨。 1 底板水平方向上采空区两侧的底板岩体内 存在应力增高区域, 应力峰值位于距离岩壁 10 m 15 m范围内的岩体内部, 两侧底板岩体提前进入塑 性状态。工作面前方内部的应力峰值略高于工作面 后方的应力峰值。 2 工作面推进 20m 30m 时, 采场中点的应 力急剧降低, 底板中心部分区域开始进入拉应力区。 3 煤层开采初期底板破坏深度的变化是很剧 烈的, 随着工作面的推进, 底板塑性区向深部发展, 但扩展速度变缓, 达到一定破坏深度, 最大破坏深度 不会加大, 但塑性区仍不断发展扩大。 参考文献 [ 1] 王作宇, 刘鸿泉. 承压水上采煤 [M ]. 北京 煤炭工业出版社, 1992 . 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Key words floor ;numerical si mulation ; water inrush 上接 240页 APPLICATION OF SLEEVE VALVE TUBE IN THE HEAVY CURTAIN GROUTING OF LARGE- DELTA BASE IN A RESERVOIR IN CHAOYANG LI AN H aibin No. 723G eolog ical Brigade of Guangdong ProvincialBureau of GeologicalExploration,M eizhou, Guangdong 514000 Abstract By the instance analysis of the sleeve valve tube grouting for the heavy curtain grouting of large- delta base in a reservoir in Chaoyang, this paper de monstrates the construction principles , technology , practicability and grouting effect of sleeve valve tube grouting . Key words heavy curtain grouting of large- delta base ;sleeve valve tube groutingm ethod ;treat mentmeasures 247 第 3期吴双宏等 带压开采底板突水破坏的数值实验