滑动构造下回采工作面异常矿压显现规律模拟.pdf

第3 0 卷第4 期 西安科技大学学报 v 0 1 3 0 N 0 4 2 0 1 0 年7 月 J O U R N A LO F A NU N E R S I T YO FS C I E N C EA N DT E C H N O D G Y J U d 2 0 1 0 文章编号 1 6 7 2 9 3 1 5 2 0 1 0 0 4 0 4 0 2 0 5 滑动构造下回采工作面异常矿压显现规律模拟 韦四江 支光辉 勾攀峰 河南理工大学能源科学与工程学院 河南焦作4 5 4 0 0 3 摘要 结合郜城煤矿1 3 1 9 1 回采工作面的地质条件 建立滑动构造作用下及正常情况下的回采 工作面数值计算模型 比较研究了回采过程中的支承压力 垂直位移等矿压规律 计算结果表 明 滑动构造作用下 工作面超前支承压力峰值所在位置比无构造时远得多 但应力集中系数较 低 工作面前方的煤岩体破坏范围大 随着工作面的推进 采空区顶板下沉量和工作面前方顶板 中的反弹值逐渐增大 反弹峰值距煤壁的距离为4 6m 和周期来压步距基本一致 最后 提出 了滑动构造条件下回采工作面安全开采的管理技术措施 关键词 滑动构造 回采工作面 异常矿压 数值模拟 中图分类号 T D3 2 3文献标志码 A 0 引言 滑动构造研究进展是2 0 世纪8 0 年代以来我国煤田地质领域取得的最重要的进展之一 1 4 滑动构 造对豫西郑煤集团煤矿生产的影响相当严重 造成井巷工程的重大浪费 生产接续的紧张及矿井开拓方 案的确定困难 滑动构造造成顶板破碎和矿山压力异常 威胁矿井的安全生产 已成为影响采掘工作面 生产的一种主要地质构造归 6J 郜城煤矿1 3 1 9 1 回采工作面赋存于滑动构造的前缘推挤和后缘拉伸的复合部位 处于煤层顶板为断 层泥和张性角砾岩复合区 断层泥受到构造的反复挤压 推拉作用 原生构造不复存在 强度非常低 遇 水会发生膨胀 张性砾岩区的岩体受到拉伸作用 岩体完整性较差 产生大量的张性裂隙 煤层及底板 作为滑动构造的基底 受到滑移构造的影响较小 按原生岩层考虑一 8 采用数值模拟方法对滑动构造后工作面回采过程中应力 位移分布规律加以研究 找出异常矿压形 成的原因 并给出相应的应对措施 1 数值计算模型 1 1 地质资料 1 3 1 9 1 工作面可采长度6 2 5m 开切眼长1 1 2 6m 平均煤厚3 3m 煤层倾角1 3 5 0 构造带顶板为断 层角砾岩 平均厚1 2 31 1 1 直接底为砂质泥岩 平均厚5 6m 北面和南面为未回采的1 3 2 0 1 和1 3 1 8 1 工作 面 西接一1 0 0 回风大巷和一1 1 0 运输大巷 东临郜F 4 逆断层 地面标高 3 2 2 8 一 3 5 6 1n l 工作面标 高一8 0 一 4 0m 工作面埋深3 1 1 4 0 2m 1 2 计算模型 根据地质资料和边界效应 建立长2 0 0m 水平 宽2 1 2 6m 高1 0 0m 的模型 在Y 5 0m 处 施 加垂直方向的最大主应力1 0 8M P a 在x 1 0 0m x 一1 0 0m z O z 2 1 2 6m 的面上施加水平方 收稿日期 2 0 1 0 0 3 一1 5 基金项目 国家自然科学基金资助项目 5 0 8 7 4 0 3 7 河南省杰出人才计划项目 0 9 4 2 0 0 5 1 0 0 0 4 河南理工大学研究生创新基金资 助项目 通讯作者 韦四江 1 9 7 7 一 男 河南扶沟人 博士研究生 讲师 主要从事矿山压力及其控制方面的研究 万方数据 第4 期韦四江等 滑动构造下回采工作面异常矿压显现规律模拟4 0 3 向的压应力7 2 4M P a 模型底面Y 一5 0 处为固定约束 即限制坐标轴方向的位移为零 根据钻孔地质资料 对郜城1 3 1 9 1 工作面的煤层 顶底板一定范围内的岩体力学参数进行了折算 表 1 为了比较滑移构造对1 3 1 9 1 工作面回采期间矿压显现的作用 共建立2 个模型 I 滑动构造条件下的1 3 1 9 1 工作面 原生顶板条件下的1 3 1 9 1 工作面 为模拟工作面回采过程 开采步距定为1 0m 开采顺序为1 以川卅 图l c 对方案I 顶板一定范围内的岩层赋以断层泥 而方案 顶板为原生岩层 采用有限元软件A N S Y S 建 立模型 然后通过接口程序导入到n A C 3 0 中进行计算 模型如图l 所示 表l 岩体参数 T a b 1R o c k 珊l 髓m e t e 噶 岩性厚度 m内摩擦角 剪切模量G M P a 体积模量P M P a粘结力C M P a 细粒砂0 7 1 3 562 5 083 3 30 4 1 砂质泥岩 3 1 22 5 4 8 08 0 00 8 0 细粒砂岩 2 8 03 520 8 3 27 7 85 2 1 砂质泥岩1 7 0 2 54 8 0 8 0 00 8 0 细粒砂岩 2 5 4 3 520 8 327 7 85 2 1 砂质泥岩 1 6 2 9 2 54 8 08 0 00 8 0 细粒砂岩 3 0 53 520 8 3 27 7 85 2 1 砂质泥岩 1 0 2 2 54 8 08 0 00 8 0 细粒砂岩 2 5 3 l3 5 20 8 327 7 85 2 1 断层泥 1 5 0 01 7 6 32 9 20 1 8 二1 煤 3 3 02 02 7 35 3 0 0 7 0 砂质泥岩 5 6 0 2 54 8 08 0 00 8 0 粉砂岩 3 3 0 3 030 0 050 0 05 7 7 U 石灰岩 3 8 03 0I4 1 122 4 4 2 8 9 泥岩l 1 7 2 54 8 08 0 00 8 0 砂质泥岩 2 8 4 2 54 8 08 0 00 8 0 L 7 石灰岩4 7 9 3 0I4 1 I 22 4 42 8 9 岩质泥岩0 5 0 2 13 9 76 9 4 0 6 9 2 结果分析 图I 模型图 F i g 1 l o d e ld i a g r a m a 方案I b 方案I I c 工作面位置图 d F L A C 3 D 网格划分图 根据上述2 个方案 对工作面回采过程中的超前支承压力 位移等进行分析 解释滑动构造对工作面 回采的影响 万方数据 西安科技大学学报 2 0 1 0 阜 2 1 工作面超前支承压力分布 支承压力是表征工作面顶板矿压显现的重要指标 沿工作面推进方向作一个剖面 其上布置2 0 0 个 测点 考察工作面推进方向的支承压力集中系数 垂直集中应力与垂直原岩应力的比值 首先在这2 个剖面上考察工作面垂直方向支承压力的分布 图2 从图2 可以看出 滑动构造作用下 沿工作面推进方向 超前支承压力随着开采步数的增加而增加 且增加的趋势不明显 无滑动构造时 超前支承压力随着开采步数的增加而增加 且增加的趋势明显 但 峰值距煤壁的距离增加不明显 滑动构造作用下 工作面超前支承压力峰值距煤壁比无构造时大得多 即极限平衡范围大 造成工作面前方的煤岩体过早发生变形破坏 周期来压步距较小 这是滑动构造条 件下顶板压力异常的原因之一 沿工作面宽度方向 侧向固定支承压力随着开采步数的增加而增加 且增加的趋势不明显 工作面 两侧煤柱应力分布表现出不对称性 原因或为网格划分得不均匀 辍1 6 嶙1 2 导 瓣 R 氇 工作面开始位置 一 H 一 i 暑 S J 也 丝 仨 矬 二瓣 5 0 3 0 2 0 1 001 0 3 0 5 0 工作面推进方向 m a 糍 髅 岳 蛱 杂 氇 P 穗 一 W I 麓 耄 藿 耄 一5 0 3 0 2 0 一1 001 0 3 05 0 工作面推进方向 m b 图2T 作面推进方向支承压力集中系数 F i g 2 A b u t m e n ts t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o ra l o n gm i n i n gd i r e c t i o n a 滑动构造下推进方向 b 原生顶板推进方向 2 2 顶板下沉量 顶板下沉量如图3 所示 蛊 嘲 避一 k 辎一 警一 O 2 0 0 4 0 0 6 0 0 工作面推进方向 m a b c 图3 工作面推进方向顶板垂直位移 F i g 3 V e r t i c a ld i s p l a c e m e n to fr o o fM o n gm i n i n gd i r e c t i o n a 滑动构造下工作面推进方向 b 滑动构造下工作面宽度方向 c 原生顶板工作面推进方向 根据矿山压力理论 工作面宽度方向的跨度比推进方向的跨度大 如果把工作面看作三边固支 一边 简支的板 工作面顶板首先沿着短边发生断裂 而后沿着长边发生断裂 虽然有限差分软件不能模拟断 裂过程 但从顶板下沉量方面印证了这种规律 即 构造作用下 开采第1 步 长边最大下沉量13 5 1 9 1 m m 短边最大下沉量7 6 2 5 2m m 第2 步 长边最大下沉量22 8 6 1 6m m 短边最大下沉量14 0 3 3 7m m 第3 步 长边最大下沉量25 2 7 4 8m m 短边最大下沉量l8 4 8 7 3r a m 第4 步 长边最大下沉量31 3 2 6 9 m m 短边最大下沉量21 9 7 5 0m m 位移云图如图4 所示 非滑动构造下 顶板的下沉量同样也呈现了这 种规律 只是数量上比前者小 随着工作面的推进 工作面前方顶板中会出现一定程度的反弹 反弹值在老顶断裂处达到最大 即顶 板出现了一定程度的隆起 构造作用下 第1 步回采时 隆起量达到1 8 9m r s 距煤壁边缘4 3 2n l 第2 步回采时 隆起量达到5 8 4 9m m 距煤壁边缘4 1 2m 第3 步回采时 隆起量达到6 8 5 6m m 距煤壁边缘 6 3 5m 第4 步回采时 隆起量达到1 0 4 1 5n l m 距煤壁边缘4 7 7m 根据反弹量最大值处距煤壁的距离 可以估算出工作面的周期来压步距为4 6m 初次来压步距1 0m 左右 万方数据 第4 期 韦四江等 滑动构造下回采工作面异常矿压显现规律模拟4 0 5 周期来压步距小 顶板松软易于发生离层 造成工作面支柱处于给定载荷状态 这是滑动构造下矿 压异常的原因之一 图4 回采第4 步时工作面位移云图 单位 m F i g 4D i s p l a c e m e n tc o n t o u ro l ls t e p4 b u n i t m a 滑动构造 b 原生顶板 3 异常矿压预防措施 当1 3 1 9 1 工作面在回采过程中遇到滑动构造时 顶板易于离层 煤壁易于片帮 控顶范围内单体液压 支柱受力不均 支柱易插底 采取了如下的管理技术措施 1 加强地质工作 注意顺槽掘进时及工作面回采时地质资料的整理判读 确定发生异常矿压的方位 采用矿压观测小组和矿压在线监测系统相结合的方式 建立矿压日报制度 对异常矿压显现发出预警 提 前预防 2 支柱底座穿铁鞋 防止支柱插底 后排支护安设戗柱及斜撑 防止顶板对支柱的冲击 保持支柱的 稳定性 3 增加工作面上下出E l 的支护密度 将上下顺槽超前加强支护的距离由5I T I 增大到1 0m 滞后替 棚 调整端头支护 有利于工作面的端头及上下巷的维护 减少上下端头处顶板漏冒现象的发生 4 采用多打眼 少装药的办法 可以减少爆破震动对顶板的影响 采用分段放炮办法 可以避免因起 爆过长 顶板悬露面积较大而造成片帮 冒顶 落煤和回柱应锗开至少1 0m 的距离 减少二者的叠加作 用 5 先移主梁后爆破以及二次移主梁 使顶板在一定程度上得到了超前控制 从而减少了空顶时间和 空顶距离 缓冲了顶板下沉和变形的速度 防止了冒顶的发生 6 加快推进速度 可以减少顶板的下沉量 为顶板管理创造了条件 4 结论 1 滑动构造作用下 断层泥强度较低 破坏范围大 工作面超前支承压力峰值比无构造时大得多 工 作面前方的煤岩体过早的发生变形破坏 周期来压步距较小 这是滑动构造条件下顶板压力异常的原因 之一 2 根据反弹量最大值处距煤壁的距离 可以估算出滑动构造作用下 工作面的周期来压步距为4 6 m 初次来压步距1 0m 左右 周期来压步距小 顶板松软易于发生离层 造成工作面支柱处于给定载荷状 态 这是滑动构造下矿压异常的原因之一 根据1 3 1 9 1 工作面的具体情况 提出了治理回采工作面矿压 异常的一些管理技术措施 参考文献 R e f e r e n c e s 1 曹代勇 华北聚煤区南部滑脱构造研究 D 北京 中国矿业大学 1 9 9 0 C A OD a i y o n g S t u d yO ng l i d i T l gs t r u c t u r ei ns o u t ho fc o a l a c c u m u l a t i n ga l e ai nn o t t h e mC h i n a Y u r m a n D B e i j i n g C h i n a U n i v e r s i t yo fM i n n i I l gT e c h n o l o g y 1 9 9 0 2 王桂梁 曹代勇 姜波 华北南部逆冲推覆伸展滑覆和重力滑动构造 M 徐州 中国矿业大学出版社 1 9 9 2 万方数据 西安科技大学学报2 0 1 0 生 W A N GG n i l i a n g C A OD a i y o n g J I A N GB o O v e r t h r u s tf a u l ta n dg r a v i t yg u d i n gs t r u c t u r ei ns o u t ho fn o r t h e r nC h i n a M X u z h o u C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n n i n gT e c h n o l o g yP r e s s 1 9 9 2 李万程 重力滑动构造的成因类型 J 煤田地质与勘探 1 9 9 5 2 3 I 1 9 2 4 L IW a n c h e n g G e n e t i ct y p eo fg r a v i t yg l i 血l gs t r u c t u r e J C o a lG e o l o g y E x p l o r a t i o n 1 9 9 5 2 3 1 1 9 2 4 曹代勇 高文泰 钱光谟 等 华北煤盆地南部边界构造研究 c 中国矿业大学北京研究生部地质专业委员会 煤 田地质研究文集 北京 煤炭工业出版社 1 9 9 6 C A OD a i y o n g G A OW e n t a i Q I A NG u a n g m o e ta 1 S t u d yo ns t r u c t u r eo nt h es o u t hb e a n e r yo fc o a lb a s i no fn o r t hC h i n a C C h i n aU n v e f i s i t yo fM i n i n gT e c h n o l o g y B e i j i n g G r a d u a t eD e p a r t m e n tG e o l o g yc o m l n i t t S t u d i e so nc o a lg e o l o g y B e i j i n g C h i n aC o a lI n d u s t r yP u b l i s h i n gH o u s e 1 9 9 6 李琳 屈学利 滑动构造的成因及其在采煤工作面的治理措施 J 煤炭技术 2 0 0 1 8 4 7 一鸽 L IL i n Q uX u e l i G e n e t i ct y p eo fg l i d i n gs t r u c t u r ea n di t sm a n a g e m e n ta c t i o ni nc o a lf a c e J C o a lT e c h n o l o g y 2 0 0 1 8 4 7 4 8 管恩太 郑州矿区滑动构造及其水害治理技术 J 水力采煤与管道运输 2 0 0 6 2 1 3 1 5 G U A NE n t a i G l i n d i n gs t r u c t u r ea n dt e c h n o l o g yo ft h ec o n t r o lo fw a t e rd i s a s t e r J H y d r a u l i cC o a lM i n i n g P i p e l i n eT r a m p o r t a t i o n 2 0 0 6 2 1 3 1 5 王志荣 郜城井田滑动构造带与矿井地质灾害 J 地质灾害与环境保护 2 0 0 3 1 4 4 2 1 2 4 W A N GZ h i r o n g G l i d i n gs t r u c t u r eb e l to fG a o c h e n gf i e l da n dm i n eg e o l o g i c a ld i s a s t e r J J o u r n a lo fG e o l o g i c a lH a z a r d sa n d E n v i r o n m e n tP r e s e r v a t i o n 2 0 0 3 1 4 4 2 1 2 4 王志荣 郎东升 刘士军 等 豫西芦店滑动构造区瓦斯地质灾害的构造控制作用 J 煤炭学报 2 0 0 6 3 1 5 5 5 3 5 5 7 W A N GZ h i t o n g L A N GD o n g s h e n g L I US h i j u n e ta 1 T e c t o n i cc o n t r o lo ng a sg e o l o g i c a lh a z a r di nI a t d i a n d i n gs t r u c t u r e J J o u r n a lo f C h i n aC o a lS o c i e t y 2 0 0 6 3 1 5 5 5 3 5 5 7 A b n o r m a ls t r a t ap r e s s u r eo fm i n i n gf i e l du n d e rc o n d i t i o n o fg l i d i n gt e c t o n i c su s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n W E IS i j i a n g Z H IG u a n g h u i G O UP a n f e n g S c h o o lo f E n e r g yS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g l t e n a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y J i a o z u o4 5 4 0 0 3 C h i n a A b s t r a c t A c c o r d i n gt og e o l o g i c a lc o n d i t i o no f1 3 1 9 1m i m i n gc o a lf a c eo fG a o c h e n gc o a lm i n e t w on u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e l so nc o n d i t i o n so fg l i d i n gt e c t o n i c sa n dn o r m a ls t r a t u mw e r eb u i l t A b u t m e n t p r e s s u r ea n dv e r t i c a ld i s p l a c e m e n tw e r ea n a l y z e d N u m e r i c a lc a l c u l a t i o ns h o w st h a tp e a kp o s i t i o n so fa b u t m e n tp r e s s u r eo fg l i d i n gs t r u c t u r ew a sf a r t h e rt h a nt h a to fn o r m a ls t r a t u m a n dg r e a te x t e n to fd a m a g e o fs u r r o u n d i n gr o c kw a sg e n e r a t e d b u ts t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o rW a sl o w e r V e r t i c a ld i s p l a c e m e n to f r o o fi ng o a fa n dr e b o u n dd i s p l a c e m e n ta h e a dm i n i n gf a c ew e r eg r a d u a l l yi n c r e a s i n g T h ed i s t a n c ef r o m m i n i n gf a c e t op o s i t i o no fp e a kv a l u eo fr e b o u n dd i s p l a c e m e n tW a s4t o6m e t e r s w h i c hW a sb a s i c a l l y s a I n e 鹤p e r i o d i cr o o fw e i g h t i n gp a c e F i n a l l y t e c h n i c a lm e a s u r e so fs a f em i n i n gw e r ep r o p o s e du n d e rt h e c o n d i t i o no fg l i d i n gt e c t o n i c s K e yw o r d s g l i d i n gt e c t o n i c s c o a lm i n i n gf a c e a b n o r m a ls t r a t ap r e s s u r e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n C o r r e s p o n d i n ga u t h o r W E Is i j h s C a n d i d a t ef o rP h D J i a o z u o4 5 4 0 0 3 P R C h i n a T e l 0 0 8 6 1 5 8 3 9 1 0 6 7 9 6 E m a i l w e i s j h l m e d u 蜘 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J 口 M 口 口 竺 万方数据 滑动构造下回采工作面异常矿压显现规律模拟滑动构造下回采工作面异常矿压显现规律模拟 作者 韦四江 支光辉 勾攀峰 作者单位 河南理工大学 能源科学与工程学院 河南 焦作 454003 刊名 西安科技大学学报 英文刊名 JOURNAL OF XI AN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY 年 卷 期 2010 30 4 被引用次数 0次 参考文献 8条 参考文献 8条 1 曹代勇 华北聚煤区南部滑脱构造研究 D 北京 中国矿业大学 1990 CAO Dai yong Study on gliding structure in south of coal accumulating area in northern ChinaYunnan D Beijing China University of Minning Technology 1990 2 王桂梁 曹代勇 姜波 华北南部逆冲推覆伸展滑覆和重力滑动构造 M 徐州 中国矿业大学出版社 1992 WANG Gui liang CAO Dai yong JIANG Bo Overthrust fault and gravity gliding structure in south of northern China M Xuzhou China University of Minning Technology Press 1992 3 李万程 重力滑动构造的成因类型 J 煤田地质与勘探 1995 23 1 19 24 LI Wan cheng Genetic type of gravity gliding structure J Coal Geology Exploration 1995 23 1 19 24 4 曹代勇 高文泰 钱光谟 等 华北煤盆地南部边界构造研究 C 中国矿业大学北京研究生部地质专业委员会 煤 田地质研究文集 北京 煤炭工业出版社 1996 CAO Dai yong GAO Wen tai QIAN Guang mo et al Study on structure on the south boundary of coal basin of north China C China Unverisity