FLAC在煤矿开采沉陷预测中的应用及对比分析.pdf

第18卷 第4期岩石力学与工程学报184 397～401 1999年8月Chinese Journal of Rock Mechanics and EngineeringA ug. ,1999 FLAC在煤矿开采沉陷预测中的应用及对比分析 谢和平1 周宏伟1 王金安1 李隆忠2 M. A. Kwasniewski3 1中国矿业大学北京校区岩石力学与分形研究所 北京 100083 2鹤壁矿务局 鹤壁 456600 3西里西亚工业大学 波兰 摘要 应用FLAC2D3. 3和FLAC3D1. 0对河南省鹤壁矿务局4矿开采沉陷进行了预计,通过对比分析经典预计方法 概率积分法与FLAC计算结果,发现FLAC能真实地模拟现场地质条件,弥补一般经典方法不能考虑断层影响的 不足,是一种简单易行的开采沉陷预计方法。 关键词 FLAC ,开采沉陷,开采沉陷预计,数值模拟 分类号 TD325. 2 1 前 言 目前我国建筑物下压煤特别是村庄下压煤量呈 上升趋势[1],煤层开采前对开采沉陷作出预计对保 护地面建筑物和地面环境具有十分重要的意义。 我 国对开采沉陷学的研究经过最近几十年的发展已逐 步成熟,形成了独立的学科范围和独特的研究方法, 有关开采沉陷的理论和方法也已经在现场生产实践 中发挥了重要作用。 尤为值得一提的是, 60年代我 国学者引入波兰学者提出的开采沉陷的随机介质理 论,并加以改进和完善,提出了地表移动预计的概率 积分法,该方法直到目前仍被我国采矿行业广泛应 用[2 , 3]。 现有的开采沉陷理论基本上都是以均匀连续介 质假设作为理论研究前提,不能考虑岩层中存在的 不连续面,如节理、 裂隙以及断层的影响。 而实际上 岩层中存在大量的节理裂隙和规模不等的断层,这 些不连续面的存在影响了开采沉陷规律,尤其是当 开采区域断层比较发育时,断层对开采沉陷规律的 影响十分明显,在这种情况下就不得不考虑断层等 不连续面的影响。 另一方面,由于目前的开采沉陷预 计理论如概率积分法的关键参数必须经过现场观 测才能确定,因而给实际预测工作造成了一定的难 度。 鉴于此,本文用FLAC对煤矿开采沉陷进行了预 计,该方法以岩石力学理论为基础,以煤岩物理力学 参数和地层构造特性为计算依据,无需作任何假设 或确定某些关键参数,从而克服了经典预计方法的 不足。 本文针对河南省鹤壁矿务局4矿的具体条件, 分别用两种不同的方法即概率积分法和数值模拟方 法对开采沉陷进行了预计。 2 计算模型和计算参数 2. 1 FLAC简介 FLACFast Lagrangian Analysis of Continua是 由美国Itasca公司开发的显式有限差分程序,能较好 地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生 的破坏或塑性流动的力学行为,分析渐进破坏和失 稳,特别适用于模拟大变形。FLAC设有多种本构模 型,另外,程序还设有界面单元,可以模拟断层、 节 理和摩擦边界的滑动、 张开和闭合行为。 支护结构如 砌衬、锚杆、支架等与围岩的相互作用也可以在 FLAC中进行模拟。FLAC采用显式算法来获得模型 全部运动方程的时间步长解,从而可以追踪材料的 渐进破坏和垮落,这对研究开采的时间效应和空间 效应是非常重要的。 此外,程序允许输入多种材料类 型,亦可在计算过程中改变某个局部的材料参数,增 强了程序使用的灵活性,用来提供采动区域的垮落 过程和开采中的充填过程。FLAC具有强大的后处理 功能,用户可以直接在屏幕上绘制或以文件形式创 建和输出打印多种形式的图形。 使用者还可根据需 要,将若干个变量合并在同一幅图形中进行研究分 析。 1998年2月27日收到初稿, 1998年4月21日收到修改稿。 作者 谢和平 简介男, 43岁,博士, 1987年毕业于中国矿业大学北京研究生部工程力学专业,现任博士生导师、 中国矿业大学校长,主要从事 分形几何、 岩石力学、 岩石类材料损伤断裂力学及其在采矿工程中的应用等教学与研究工作。 2. 2 地质背景及数值计算模型 鹤壁矿务局4矿的主要可采煤层倾角为0 ～ 30,平均埋深420 m ,煤层平均厚度8. 18 m ,为高 沼气煤层。 顶底板岩石主要为砂岩、 泥岩、 灰岩、 页 岩等,表土层厚度101. 5 m。 本文以4矿6采区作为 研究对象,研究区域地质构造主要受4条断层的控 制图1a ,这些断层皆为压断层,断层张开距很 小,仅为几个厘米,充填物的厚度也很小。 断层倾角 50 ～65 。4F204断层和4F206断层落差皆为10 m , 4F105断层落差为13 m , F7断层落差为100 m。 本 文选择了含断层的区域作为研究对象,并建立了三 维立体模型图1a和二维平面模型图1b。 三维模型和二维模型都是是采用分区组合的方 法进行构造,首先按断层、 层面和模型外边界进行 分区,分别划分每个区的网格,然后再将各分区组 合并在一起,形成计算模型。 三维模型的外形尺寸 为1 500 m1 800 m650 m ,共划分了64 175个六 面体单元和10 940个界面单元模拟断层和层面。 二维模型尺寸为2 000 m750 m ,共划分了67 393 个四边形单元和1 039个界面单元。 图1 数值计算模型F206 , F204 , F105 , F7为断层 Fig. 1 Schematic of numerical modelF206 , F204 , F105 and F7 denote faults 2. 3 计算参数的选择 根据研究区域的岩层柱状图和煤岩物理力学实 验结果,确定计算模型的基本参数。 此外,模拟计算 还涉及一些附加材料,如断层、 充填材料、 采空区垮 落矸石和支护结构等。 1表土层物理力学参数 表土层是塑性较强的弹塑性地质材料,在材料 达到屈服极限后,可产生较大的塑性流动。 本研究 对表土黄土、 土砾岩、 砾岩采用莫尔2库仑屈服准 则 fs σ1-σ3 - 2ccosφ - σ1σ3sinφ1 式中σ1,σ3分别是最大和最小主应力; c ,φ分别为 表土的粘结力和摩擦角。 当fs0时,表土将发生剪 切破坏。 表1给出了表土层的力学参数。 表1 表土物理力学参数 Table 1 Physical and mechanical parameters of soils 表土 名称 容重 / kNm- 3 弹模 / MPa 泊松比 抗压 强度 / MPa 抗拉 强度 / MPa 粘结力 / MPa 内摩 擦角 / 粘土18100. 300. 0100. 0020. 02015 土砾岩20150. 300. 0170. 001 50. 01518 砾岩22200. 300. 0430. 0010. 01024 2岩石与煤物理力学参数 根据大量岩石力学实验证实,岩石破坏后强度 有所降低,产生弱化,这是莫尔2库仑准则所不能反 映的,故本文对岩石和煤采用虎克2布朗 Hoek2 Brown强度准则 σ1Sσ3mσcσ3 sσ 2 c 2 式中σ1S是在岩石峰值强度时的最大主应力;σ3是 最小主应力; m , s是材料常数,取决于岩石性质和 原始破裂状况;σc是岩石单轴抗压强度。 此外,当拉 应力超过材料的抗拉强度时,材料将发生拉破坏。 表 2给出了实验测试的岩石和煤的物理力学参数。 3断层物理力学参数 断层的存在将在很大程度上影响岩层移动的规 律和特征。 在采动影响下,断层将产生滑移和张开 与闭合。 表3给出模拟计算采用的断层的力学参数。 4冒落矸石物理力学参数 采空区冒落的矸石是一种松散介质,它对顶板 支撑的力学作用可近似地用弹性支撑体表述,垮落 带的高度是采高的6～8倍。 随着工作面的推进,矸 石在覆岩作用下逐步被压实,材料的密度ρ,弹性模 量E和泊松比 ν都应随时间而增加,可由以下经验公 式表述 ρ1 6008001-e- 1.25t kg/ m33 E 151751-e- 1.25t MPa4 ν0.050.21-e- 1.25t 5 式中时间t的单位为a。 893 岩石力学与工程学报1999年 表2 煤岩物理力学参数 Table 2 Physical and mechanical parameters of rocks and coal 岩石名称容重/ kNm- 3弹模/ MPa泊松比单轴抗压强度/ MPa抗拉强度/ MPams残余m残余s 页岩26. 55 5000. 25450. 404. 50. 040. 450. 004 砂页岩26. 36 5000. 23550. 445. 00. 040. 50. 004 砂泥岩26. 33 0000. 19500. 805. 00. 080. 50. 005 砂岩26. 210 4000. 20800. 917. 00. 080. 70. 008 铁砂岩3210 5000. 08951. 017. 50. 080. 750. 008 细砂岩26. 611 0000. 19901. 037. 00. 080. 70. 008 中砂岩26. 110 5000. 20850. 977. 00. 080. 70. 008 粗砂岩25. 610 0000. 21750. 867. 00. 080. 70. 008 粉砂岩26. 44 0000. 17650. 866. 00. 080. 60. 008 石灰岩27. 628 0000. 241201. 794. 00. 080. 40. 008 泥灰岩26. 525 0000. 161401. 864. 50. 080. 450. 008 煤页岩212 2000. 30150. 061. 00. 0040. 10. 000 4 煤141 0000. 3680. 031. 00. 0040. 10. 000 4 表3 断层力学参数 Table 3 Mechanical parameters of faults 断层名称法向刚度/ MPam- 1切向刚度/ MPam- 1摩擦角 / 粘结力/ MPa抗拉强度/ MPa F71 000400220. 40. 000 1 4F1052 000800250. 40. 000 1 4F2062 000800250. 40. 000 1 4F2042 000800250. 40. 000 1 3 计算结果及对比分析 该模型中模拟的工作面开采顺序为 2602 Ⅰ →2602 Ⅱ→2602 Ⅲ→2604 Ⅰ→2608 Ⅰ→ 2604Ⅱ→2610Ⅰ →2612 Ⅰ→2614 Ⅰ→2610 Ⅱ→2612Ⅱ 2608Ⅱ→2610 Ⅲ→2612 Ⅲ 2608Ⅲ→2610 Ⅳ →2612 Ⅳ→ 2608 Ⅳ , 如图2所示。 图2 模拟的开采顺序 Fig. 2 Schematic view showing the mining order of panels 3. 1 概率积分法预计结果 用概率积分法进行地表移动变形预计时,其参 数的选择是至关重要的,一般需要经过现场观测, 将若干观测资料进行综合分析才能确定。 对于新矿 区,可利用相邻矿区的观测资料来获取有关参数。 根据鹤壁矿务局的观测资料,充分采动时下沉系数 为0. 75 ,水平移动系数为0. 3 ,拐点偏移距为30 m , 主要影响角为63 。 当开采为非充分采动时,这些系 数还应作适当的修正。 据此,分别对图2中开采顺序 的各开挖步骤进行了预计,结果之一见图 4 d ～ f。 3. 2 数值模拟预计结果 根据建立的模型图1 ,数值模拟方法首先根据 表土层、 煤和各岩层的物理力学参数表1 ,表 2 、 断层面力学参数表 3 及模型边界条件计算初始应 力场,然后在初始应力场的基础上按开采顺序图 2 逐一模拟开挖,分别给出开采后的应力分布、 位移 分布等。 根据FLAC3D的计算结果,用SURF自动绘 制地表的移动变形等值线。2604 Ⅱ工作面开采后 的结果见图3和图 4a ～c。 图3 2604Ⅱ工作面开采后地表下沉形态 Fig. 3 Subsidence shape of ground surface after extraction of 2604Ⅱ 993第18卷 第4期谢和平等. FLAC在煤矿开采沉陷预测中的应用及对比分析 a , b , c 数值模拟结果; d , e , f 概率积分法计算结果; a , d 地表下沉; b , eX方向位移;c , fY方向位移 图4 2604Ⅱ工作面开采后数值模拟结果与概率积分法结果的比较 Fig. 4 Comparison of results between numerical simulation andprobability integral after extraction of 2604Ⅱ 3. 3 数值模拟与概率积分法预计结果对比分析 由图4可见,数值模拟预计结果图4 a略大 于概率积分法预计的下沉量图4 d ,且数值模拟 预计的下沉量的最大值的位置也与概率积分法预计 的结果有所不同。 另外,数值模拟方法预计的地表移 动范围大于概率积分法预计的地表移动范围。 2604Ⅱ开采后,同样造成数值模拟方法和概 率积分法预计的X和Y方向的水平位移的不同图 4 , 数值模拟方法预计的水平位移图4 b , c大 于概率积分法预计的水平移动图4 e , f ,且用 两种方法的X和Y方向水平位移最大值的位置也是 不一样的。 由此可见,数值模拟的结果无论在量值上,还是 在最大值的位置上都不同于概率积分法的预计结果, 显然是由于数值模拟方法中考虑了断层的缘故,换 句话说是由于断层的影响造成的。 另外,更重要的一 点是,比较图4b , e和f还可发现,数值模拟预 计方法与概率积分法造成的Y方向水平位移上的差 异图4c , f也大于X方向水平位移上的差异, 原因是因为研究区域的断层主要是沿Y方向分布的 图 1 。 为了进一步研究断层的影响,还利用平面模型 图1 b对开采顺序进行了模拟,开采顺序为 2612Ⅰ→2614 Ⅰ 2610 Ⅰ→2612 Ⅱ→2614 Ⅱ 2610 Ⅱ→2612 Ⅲ→2614 Ⅲ 2610 Ⅲ →2612Ⅳ→2614 Ⅳ 2610 Ⅳ。 由于开采区域 含有4F204和4F206两条断层,可以推断地表下沉 最大值的位置不会在开采范围的中心。 由于概率积 分法不能考虑断层的影响,故预计的地表开采沉陷 最大值的位置一般都是在开采中心,不能很好地反 映断层的影响。 而岩石力学数值模拟预计方法却能 很好地反映这一特点,图5分别给出了通过数值模 拟方法预计的第1分层到第4分层开采结束后地表 下沉曲线,可见地表下沉曲线最大值的位置并不在 开采中心,而产生了偏移。 进一步说明了数值模拟预 计方法在反映断层影响方面的优越性。 2602Ⅲ工作面开采后引起的地表下沉和水平 位移的现场观测,初步证实了数值模拟预计方法的 正确性。 004 岩石力学与工程学报1999年 1 第1分层开采后; 2 第2分层开采后; 3 第3分层开采后; 4 第4分层开采后 图5 二维模型预计的地表开采沉陷 Fig. 5 Subsidence of ground surface estimaded with two dimensional numerical model 4 主要结论 从上面的分析可以看出,当研究区域内存在断 层时,由于经典的概率积分法不能考虑断层的影响, 致使其不能合理地预计地表移动与变形,尤其是不 能合理地预计地表移动包括垂直下沉和水平移动 最大值的位置。 在这种情况下,用FLAC等数值模拟 方法不失为一种合理的选择,该方法克服了概率 积分法需要确定一些预计参数的缺点,无需作任何 假设和确定一些关键的参数,完全是建立在客观反 映原型煤岩层位、 物理力学参数和断层等地质构 造和模拟开挖过程力学效应的基础上,模型越能反 映原型的客观条件,就越能准确地预计开采引起的 地表变形,所以在数值模拟方法中,对原型的考察、 研究和合理的简化是十分重要和必要的。 应该指出,由于FLAC是时间渐进的,相应的计 算次数隐含了时间因素,和物理时间具有一定的对 应关系。 因而一般来讲,计算步数越多,对应的时间 越长,模型发生的变形也越大,这一特性有别于其他 种类的数值计算程序,在确定计算步数时应特别注 意。 为了真实地模拟开挖的时间效应,本文在计算 时,特别注意模拟了工作面的推进度,根据开挖一定 长度所需要的时间来确定计算步数,并据此逐步提 高采空区内矸石的物理力学参数。 参考文献 1黄乐亭.村庄压煤开采的技术途径.中国煤炭, 1996 , 242 33 ～35 2何国清,杨 伦,凌赓娣等编.矿山开采沉陷学.徐州中国矿业 大学出版社, 1991 3王金庄,邢安任,吴立新编著.矿山开采沉陷及其损害防治.北 京煤炭工业出版社, 1995 APPLICATION OF FLAC TO PREDICT GROUND SURFACE DISPLACEMENTS DUE TO COAL EXTRACTION AND ITS COMPARATIVE ANALYSIS Xie Heping1 Zhou Hongwei1 Wang Jin′an1 Li Longzhong2 M. A. Kwasniewski3 1Institute of Rock Mechanics and Fractals , China University of Mining and Technology , Beijing 100083 China 2Hebi Coal Mining Bureau , Hebi 456600 China 3Silesian Technical University , Poland Abstract FLAC2D3. 3 and FLAC3D1. 0 are used to predict surface mining displacement of No. 4 Coal Mine of Hebi Coal Mining Bureau , Henan Province. By comparing the results of classical probability integral with the results of FLAC , it is shown that FLAC , which can simulate the actual geological conditions and improve insufficiency of the classical , is a simple and effective way. Key words FLAC , surface displacement due to coal extraction , prediction of surface displacement due to coal ex2 traction , numerical simulation 104第18卷 第4期谢和平等. FLAC在煤矿开采沉陷预测中的应用及对比分析