金鸡滩煤矿开采三带发育特征的数值模拟研究.docx

金鸡滩煤矿开采三带发育特征的 数 值 模 拟 研 究方鹏飞1 ，申涛2 ，朱占荣3( 1 神木县矿业地质测量管理站，陕西 神木 719300; 2 陕西省煤炭地质测量中心，陕西 西安 710001;3 陕西省煤田地质局一八五队，陕西 榆林719300)摘 要: 采用数值实验，用塑形区法与应力法相结合的方法预测冒裂带高度，将拉张破坏作为冒落带发育的上限，将剪切破坏作为裂隙带发育的上限。结果表明，与经验公式计算值相比较，所得结 果具有一定的可靠性，对于煤矿的生产建设具有一定的借鉴意义。关键词: 冒裂带; 拉张剪切破坏; 数值模拟中图分类号: td325文献标识码: b文章编号: 1671 749x( 2011) 06 0048 03当地的脆弱的生态环境进一步恶化1 2。1 2研究区概况陕北榆神矿区金鸡滩井田地质勘探资 料3 显 示，2 2 煤层厚度为 6 01 12 49 m，平均厚度 9 04 m; 3 1 煤层厚度为 0 4 2 31 m，平均厚度 1 66 m;5 2 煤层厚度为 0 7 2 17 m，平均厚度为 1 53 m， 厚度 变 异 系 数 为 0 16，绝 大 部 分 地 区 煤 层 厚 度 在1 3 1 7 m，厚度变化小，且规律性明显。通过对多个钻孔数据的分析，2 2 煤层埋深平均 为 200 35 m，最大 260 11 m，最小 164 3 m; 3 1 煤层埋深平均为 235 61 m，最大 281 76 m，最小 192 590引言煤炭资源的开采与地表环境的破坏主要受“三带”发育高度的 控 制，因此研究采动覆岩 中“三 带”的发育高度，对于掌握覆岩的移动破坏规律，从而合 理确定煤层的安全开采上限和采煤方法，对于实现 矿井的安全生产、地面生态环境保护，都具有十分重 要的理论意义与实际价值。为此，本文以金鸡滩井 田某煤矿为例，通过数值实验的方法预测冒落带、裂 隙带的发育高度，从而为井田的合理建设提供一定 的科学依据。 2m; 5煤层埋深平均为 403 45 m，其中最大 447 581陕北榆神府煤田及研究区概况m，最小为 379 19 m，16 个数据点的煤层埋深在 400m 以下，煤层倾角小于 2。1 1陕北榆神府煤田水资源状况陕北榆林市的金麻矿区是世界特大优质的动力 和化工用煤田，是榆神府侏罗纪煤田的主要组成部2数值模拟实验研究根据该地区构造简单，地层平坦，无明显褶皱和分，已 探 明 储 量 300 亿 t，原 煤 属 特 低 灰 ( 5%10% ) 、特 低 硫 ( 0865% ) 、特 低 磷13% 0岩浆活动的特点，所建模型的地层水平、不考虑不连续界面和构造应力的影响。( 0 002% 0 025% ) 、发 热 量 高 ( 6 900 7 200 千卡 / kg) 的优质煤。但同时，陕北侏罗纪煤炭资源主 要分布于陕蒙交界的风沙滩地区，煤炭资源的不合 理开发将导致地下水位下降，甚至疏干含水层，使得2 1实验模型根据钻孔揭示的地层结构，将岩性相同且力学性质相近的岩层合并后，建立本文数值实验模型，所模拟岩层及其物理力学参数如煤、岩层物理力学参 数表所示。假设模拟实验模型尺寸 1 000 m 10 m 406 7 m，每步开采 100 m，开切眼和终采线 距 离收稿日期: 2011 06 02作者简介: 方鹏飞( 1975) ，男，陕 西 神 木 人，1998 年毕业于西北大 学地质系，工程师，从事矿山地测管理和研究工作。第 6 期方鹏飞 申 涛 朱占荣 金鸡滩煤矿开采三带发育特征的数值模拟研究49模型边界各 200 m。模型顶面为自 由 边 界，模 型 底边界定为全约束边界; 模型推进方向定义为单约束 边界，取 x 方向位移为 0; 与推进方向垂直的 y 方向 位移约束为 0。选 用 摩 尔库 仑 破 坏 准 则，全 部 垮 落法管理顶板。本文认为，冒裂带形成后，其内部岩体所受的应力状态决定了其破坏状态，而 flac3d 数值模拟软件 中的破坏状态是在单元块体中划分的，单元块体的 大小对其破坏状态的分布具有一定的影响。因此本 文尝试使用塑形区法与应力法相结合的方法预测冒 裂带高度。2 2冒裂带高度预测目前，确定冒落带和导水裂隙带的方法主要有2 3模拟结果分析在 flac3d 中单元的破坏形式及 其 相 应 的 数 值实际探测法，以及经验公式计算法和理论计算。实际探测法主要有注水试验法、电阻率法、成像 法等4。经验 公 式 计 算 法，即 利 用建 筑 物、水 体、 铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程中的经 验公式预测冒裂带高度。理论计算主要是建立在固 体力学基础上的解析法和数值法，其中数值法是目 前应用 较广的一种预 测 方 法，相关的模拟软件有 rfpa、flac 等。应用 rfpa 预测冒裂带高度时，主 要依据模拟结果图中空单元的发育高度及连通情况 判断5; 而 flac 在预测冒裂带高度时，则有塑形区 法和应力法67，在塑形区法中，主要依据模拟岩层 所处于的拉张、剪切破坏情况确定冒裂带高度，而应 力法则主要是通过主应力的零线来预测。如表 1 所示，表 1 中的数值可以组合，形成从 0 到 15的破坏状态数值。表 1 单元体破坏状态表破坏状态对应数值未发生破坏正处于剪切破坏 正处于拉张破坏 曾经处于剪切破坏 曾经处于拉张破坏01248 2 1 2当工作面推进 300 m 时，2煤、3煤、5煤相应的破坏状态及剪应变如图 1 所示。图 1 不同煤层开采覆岩响应对比图a 剪应变云图; b 破坏状态图2 2 煤开采时，煤层上覆基岩层大部分遭受 了 破 坏，且破坏已经 影 响 至 地 表。而 当 开 采 5 2 煤 时，破 坏 主要发育在采空区顶板一定高度内的基岩中。作者认为，岩层受开采扰动发生破裂后，冒落带的岩层是 以块体形式垮落的，与采空区直接接触，其破坏形式 应为拉张破坏; 而裂隙带的岩层则主要以垂向相互的裂隙发生破裂，其主要受剪应力的影响。故此，在 用 flac3d 预测冒裂带高度时，以模型结果中的拉张从图 1 可以看出，在推进长度均为 300 m 的情况下，随着开采煤层埋深的增加，采空区上方的剪应 变分布范围逐 渐 减 小，2 2 煤 开 采 时，剪 应 变 不 为 0的区域已经发育至基岩层与松散层接触部位，且地 表也有较大 范 围 的 分 布。而 当 开 采 5 2 煤 时，剪 应变不为 0 的分布区域主要集中在采空区顶部一定高 度内的基岩层中。同样，对于煤层覆岩的破坏状态而言，发生 拉 张 或剪切破坏的岩层总厚度在减少，50陕 西 煤炭2011 年破坏状态的发育高度作为冒落带发育高度的上限，而以剪应变近零线作为裂隙带高度的上限。通过 fish 编程，提取模型破坏状态及剪应变数 值，利用 surfer 软件绘制成图，将两者进行叠加覆盖 处理，从图中读取冒裂带高度的数值，所得效果图如 图 2 图 4 所示，结果如表 2 所示。带高度的影响的关系。但仍然存在一定的差别，这主要是由于数值软件在获取冒裂带高度时，获取的 数据精度有赖于岩层网格的大小，以及模型岩体参 数与实际岩层参数值的差异程度。表 3 冒裂带高度经验公式计算值2 2 煤3 1 煤5 2 煤计算值冒落带/ m裂隙带/ m冒落带/ m裂隙带/ m冒落带/ m裂隙带/ m最小值最大值 平均值24 0449 9636 9562 89125 293 932 529 246 6413 9737 6428 474 69 46 2521 338 227 10结论32 2 煤冒裂带高度预测图图 2( 1)冒落带、裂隙带的发育上限是与其所处的 力学环境相对应的，冒落带内的岩体主要受拉张破坏，而裂隙带内的岩体则主要受剪切应力的作用。( 2) 以塑形区法和应力法相结合的方法预测的 冒裂带高度值是具有一定可信度的，对煤矿的安全 生产提供一定的借鉴意义。( 3) 数值模拟方法较经验计算法具有一定的优 势，但数值模拟所采取的连续变形与实际岩体的连 结特征存在一定的差异，因此在应用中，避免将模拟 对象简单化、理想化，同时较准确地了解岩体的物理 力学性质，来提高其精度。参考文献:3 1 煤冒裂带高度预测图图 31张茂省，卢 娜，陈 劲 松 陕 北 能 源 化 工 基 地 地 下水开发 的植被生态效应及 对 策j 地 质 通 报，2008，27( 8) : 1299 1312董 英，张茂省，卢 娜，等 陕北能源化工基地资 源开发引起的植被生态风险j 地质通报，2008( 8) : 1313 1322陕西煤田地质局一八五队 金鸡滩井田勘探地质 报告r 2003王双美 导水裂隙带高度研究方法概述j 水文 地质工程地质，2006，( 5) : 126 128 陈荣华，白海波，冯梅梅 综放面覆岩导水裂隙带 高度的确定j 采矿与安全工程学报，2006，23( 2) : 220 223黄志安，童海方，张英华，等 采空区上覆岩层“三 带”的界定准则和仿真确定j 北京科技大学学 报，2006，28( 7) : 609 612汪 林，吴 基 文，宋 中 应，等 厚、薄覆岩两带高度 发育特 征数值模拟研 究j 矿业安全与环保，2007，34( 3) : 8 1225 2 煤冒裂带高度预测图图 4表 2 冒裂带高度数值实验预测值32 2 煤3 1 煤5 2 煤推进距离/ m冒落带/ m裂隙带/ m冒落带/ m裂隙带/ m冒落带/ m裂隙带/ m410030040015 378 6108 190 6130 8233 03