重復(fù)采動(dòng)下覆巖變形數(shù)值模擬

劉樹新，孫會(huì)龍

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

重復(fù)采動(dòng)下覆巖變形數(shù)值模擬

劉樹新，孫會(huì)龍

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

基于該煤礦的地質(zhì)資料，采用FLAC3D[1]數(shù)值模擬軟件建立該煤礦的雙煤層重復(fù)采動(dòng)的數(shù)值模型，模擬研究覆巖的變形情況，并分析上部覆巖在重復(fù)采動(dòng)過(guò)程中垂直應(yīng)力的變化情況[2]。模擬結(jié)果表明：重復(fù)采動(dòng)可重復(fù)擾動(dòng)覆巖穩(wěn)定，加劇覆巖變形破壞，并引起原覆巖裂隙的再發(fā)育，進(jìn)而可能形成瓦斯和地下水的導(dǎo)通通道，危及煤炭安全生產(chǎn)；另外，重復(fù)采動(dòng)使覆巖的垂直應(yīng)力減小，變形更加明顯，裂隙發(fā)育速度更快。

重復(fù)采動(dòng)；FLAC3D；覆巖裂隙；垂直應(yīng)力；變形位移量

煤礦開采必然破壞采場(chǎng)圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)[3]，從而使圍巖裂隙受擾動(dòng)得到進(jìn)一步發(fā)育而開始彼此延伸、連接，形成大量導(dǎo)水通道。若導(dǎo)水通道導(dǎo)通了地下含水層，將可能導(dǎo)致礦井水害的發(fā)生，影響煤礦安全生產(chǎn)。通過(guò)FLAC3D模擬[4]采動(dòng)后垂直應(yīng)力和變形位移的變化情況，能大致分析出煤層開采后覆巖裂隙的破壞發(fā)育規(guī)律。而重復(fù)采動(dòng)的影響[5]對(duì)覆巖裂隙的發(fā)育更具有促進(jìn)作用，從而增大覆巖裂隙變形位移量，波及范圍更加廣泛。所以在開始復(fù)采前開展此項(xiàng)模擬研究具有重要的實(shí)踐意義，能夠提前預(yù)知覆巖裂隙變形運(yùn)動(dòng)的大致情況，做好災(zāi)害防治工作，對(duì)于煤礦安全生產(chǎn)具有極其重要的作用[6]。

1 模型參數(shù)選取

根據(jù)該近水平煤礦綜采工作面鉆孔柱狀資料，分析各分層基本參數(shù)，建立了與實(shí)際情況基本吻合的地質(zhì)計(jì)算模型，如表1所示，煤2埋深289m，煤厚3m，直接頂為厚8m的砂質(zhì)泥巖，基本頂為厚15m的細(xì)粒砂巖，關(guān)鍵層為厚33m的中砂巖；煤1埋深為358m，煤厚3m，直接頂為厚19m的砂質(zhì)泥巖。

根據(jù)礦井地質(zhì)勘探資料提供的地質(zhì)柱狀圖，可得到要進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算部分的地層分布及主要力學(xué)參數(shù)，如表1所示。

表1 模型主要地層及巖性參數(shù)

2 計(jì)算模型建立

運(yùn)用FLAC3D建立尺寸為200×50×220的數(shù)值模型，另外模型上部外力場(chǎng)選擇4.5MPa壓應(yīng)力進(jìn)行模擬上部180m厚的上覆巖層壓力；開挖長(zhǎng)100 m，分別在煤2直接頂(51，25，119)、(100，25，119)、(170，25，119)和關(guān)鍵層(51，25，200)、(100，25，200)、(170，25，200)布置觀測(cè)點(diǎn)，模擬過(guò)程中記錄觀測(cè)點(diǎn)垂直應(yīng)力和變形位移量[7]；對(duì)模型左右、前后和下部設(shè)立約束條件，這就表示只有上邊界是自由面；最后規(guī)定，取向下為負(fù)方向，包括位移和應(yīng)力。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

模擬記錄煤2單獨(dú)開采100m時(shí)觀測(cè)點(diǎn)的垂直應(yīng)力和變形位移情況；隨后進(jìn)行對(duì)煤1的開采，記錄復(fù)采100m時(shí)觀測(cè)點(diǎn)的垂直應(yīng)力和變形位移情況，見圖1～圖4，分析圖形結(jié)果，得出相應(yīng)結(jié)論。

圖1 單采時(shí)觀測(cè)點(diǎn)垂直應(yīng)力

圖2 復(fù)采時(shí)觀測(cè)點(diǎn)垂直應(yīng)力

圖3 單采時(shí)觀測(cè)點(diǎn)變形位移

圖4 復(fù)采時(shí)觀測(cè)點(diǎn)變形

根據(jù)折線圖像，記錄觀測(cè)點(diǎn)各階段的變化情況，如表2～表5所示(應(yīng)力負(fù)號(hào)表示為壓應(yīng)力；變形位移負(fù)號(hào)表示位移方向向下)。

表2 單采時(shí)直接頂變化參數(shù)

表3 復(fù)采時(shí)直接頂變化參數(shù)

表4 單采時(shí)關(guān)鍵層變化參數(shù)

表5 復(fù)采時(shí)關(guān)鍵層變化參數(shù)

4 理論計(jì)算驗(yàn)證

假設(shè)該煤層頂板巖層可以看做Winkler地基模型[4]，采空區(qū)范圍為2a和2b，引用巖層位移變形量公式可以得出巖層一點(diǎn)(a，Z)上的應(yīng)力在(x，y)處引起的下沉位移量(以觀測(cè)點(diǎn)(100，25，119)、(100，25，200)為研究對(duì)象進(jìn)行驗(yàn)證)：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

帶入已知數(shù)據(jù)和分步計(jì)算數(shù)據(jù)，可以大致求得觀測(cè)點(diǎn)實(shí)際位移下沉量近似值，見表6。

5 結(jié) 論

(1)對(duì)比模擬結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果可以看出，巖層位移下沉量相差不大。這說(shuō)明本次模擬不管是建模還是開挖過(guò)程都比較合理，模擬結(jié)果基本準(zhǔn)確。

(2)基于該研究煤礦已有的工程地質(zhì)資料，本文采用FLAC3D軟件建立了雙煤層重復(fù)采動(dòng)的數(shù)值模型，模擬研究了覆巖在復(fù)采條件下垂直應(yīng)力和變形位移基本變化情況。模擬的結(jié)果顯示：重復(fù)采動(dòng)可重復(fù)擾動(dòng)覆巖穩(wěn)定，加劇覆巖變形破壞，并引起原有覆巖裂隙的再發(fā)育，進(jìn)而可能形成瓦斯和地下水的導(dǎo)通通道，危及煤炭安全生產(chǎn)。

(3)根據(jù)模擬的變化參數(shù)可以看出，復(fù)采能夠明顯地影響直接頂垂直應(yīng)力，使其有一定幅度地變化[9]。

(4)對(duì)比直接頂和關(guān)鍵層的變化參量可以看出，關(guān)鍵層受復(fù)采影響的敏感度遠(yuǎn)小于直接頂，所以在后續(xù)開采過(guò)程中注意對(duì)頂板的保護(hù)，維持關(guān)鍵層的穩(wěn)定[10]。這對(duì)于保護(hù)井下安全作業(yè)環(huán)境有極其重要的作用。

[1]孫書偉，林 航，任連偉.FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用[M].中國(guó)水利水電出版社，2011.

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[3]蘇仲杰.采動(dòng)覆巖離層變形機(jī)理研究[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2001.

[4]宋 揚(yáng).淺埋煤層覆巖變形破壞數(shù)值模擬研究[J].黑龍江科技信息，2015(6)：24-26.

[5]王 鵬.復(fù)雜開采條件下覆巖移動(dòng)和變形規(guī)律的模擬研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2010.

[6]姚邦華，周海峰，陳 龍.重復(fù)采動(dòng)下覆巖裂隙發(fā)育規(guī)律模擬研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010，27(3)：443-446.

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NumericalSimulationofOverlyingStrataDeformationunderRepeatedMining

LIU Shu-xin，SUN Hui-long

(Mining Research Institute，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China)

Based on geological data of the coal mine，the numerical model under double coal seams repeated mining of the coal mine was built with FLAC3Dnumerical simulation software，and overlying strata deformation was studied，and vertical stress variation of overlying strata during minging process was studied.The studied results showed that the overlying strata stability could be disturbed repeated under repeated mining ，then overlying strata deformation would be seriously and overlying strata fractures would developed again，and transporting channels of gas and underground water would be formed，and mining safety would be influenced，others，the vertical stress of overlying strata would be deceased under repeated mining，deformation would be more seriously and fractures developed more quickly.

repeated mining；FLAC3D；overburden fractures；vertical stress；deformation displacement amount

2017-06-23

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.06.021

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51264028);內(nèi)蒙古高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目(NJZY11147)

劉樹新(1971-)，男，內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)人，教授，主要從事巖石力學(xué)與礦山安全方面的教學(xué)和研究工作。

劉樹新，孫會(huì)龍.重復(fù)采動(dòng)下覆巖變形數(shù)值模擬[J].煤礦開采，2017，22(6)：85-87，73.

TD325.1

A

1006-6225(2017)06-0085-03

潘俊鋒]