五溝礦井1011工作面覆巖破壞移動規(guī)律研究

竇仲四

(淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 安徽淮南 232001)

五溝礦井1011工作面覆巖破壞移動規(guī)律研究

竇仲四

(淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 安徽淮南 232001)

以皖北五溝礦井1011采掘工作面的測井鉆孔資料及巖土試驗報告為依據(jù),按照該采掘面的實際情況,按照一定建模原則,設(shè)計兩個計算模型:走向模型Ⅰ和傾向模型Ⅱ,分析開采后上覆巖層移動演化特征,分別從覆巖橫向、豎向移動規(guī)律進行探討,從而預(yù)測冒落帶的分布、導(dǎo)水裂隙帶的高度。

建模原則; 走向模型; 傾向模型; 導(dǎo)水裂隙帶

一 五溝礦井簡介

井田開采面積15 km2,可采儲量為4 000萬t,煤種為中低灰、低硫、低磷、高熱值、強粘結(jié)性的肥煤、焦煤、1/3焦煤,以及少量氣煤;煤種稀有,煤質(zhì)優(yōu)良,是比較短缺、市場供應(yīng)緊張的煉焦或配焦用煤。新生界松散層底部含水體是五溝煤礦乃至整個兩淮新區(qū)礦井開采薄基巖淺埋煤層的主要充水水源之一,深入分析研究松散層下部含、隔水層的分布狀況、工作面覆巖破壞移動規(guī)律、合理留設(shè)煤住對礦井的開采有著十分重要的意義。

二 模型設(shè)計與本構(gòu)關(guān)系

(一) 計算模型建立原則

數(shù)值分析相對來說是比較抽象的,為了更接近現(xiàn)實需要而進行合理的概括是必須的。但是由于覆巖及其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,本模型的設(shè)計不可能完全考慮各種影響因素。本文模型主要遵循如下幾條原則來進行設(shè)計的。

影響覆巖破壞移動的主要因素;考慮其邊界效應(yīng),選擇適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件;體現(xiàn)采掘面的推進過程,能體現(xiàn)出覆巖冒裂的時間差。

(二) 幾何模型的確立

井下開采是要解決一個三維空間問題,但是操作起來非常繁瑣,可以說不具備實際可操作性。故可以通過簡化為二維問題來處理。再根據(jù)皖北五溝礦井1011工作面巷道布置特點,基于圖1(長度單位:m)中的A-A和B-B剖面設(shè)計處兩個計算模型:走向模型Ⅰ(如圖2所示)和傾向模型Ⅱ(如圖3所示)。

圖1 五溝煤礦1011工作面布置平面示意圖

1 模型范圍的確定

通常情況下,已采區(qū)的頂板覆巖移動要比底板移動大的多,本文主要探討隨著采掘過程的深入頂板覆巖體所發(fā)生變形特征,因此,該模型的主要范圍設(shè)定為頂板的覆巖體。鑒于考慮到開采煤層與底板、頂板之間變形的協(xié)調(diào)性,適當(dāng)?shù)脑黾恿瞬糠值装宸秶?從而使模型數(shù)值計算更接近于實際情況。圖2中Ⅰ的范圍確定:從煤層頂板以上到地表共270.10 m高度設(shè)為模型的上部,從煤層底板向下10.20 m深度設(shè)為模型的下邊界,以開切眼和收作線各向外延伸100.50 m距離作為模型的左、右邊界。圖3中Ⅱ的上、下邊界設(shè)定同走向模型Ⅰ相似,左、右邊界以運輸巷和回風(fēng)巷各向外延伸60.50 m作為界限。

2 模型邊界條件的選擇

圖2Ⅰ和圖3Ⅱ所使用約束邊界條件大體相似,在這兩個模型的左邊界、右邊界及底界采用零位移邊界條件,具體如下所示:

模型上部邊界為地表,不約束,為自由邊界;

模型下部邊界取u=v=0,為全約束邊界;

模型左右邊界取u=0,v 0(u為x方向位移,v為y方向位移),即單約束邊界。

三 覆巖體相關(guān)力學(xué)參數(shù)的選取

對于覆巖工程設(shè)計來說,關(guān)鍵問題之一就是如何預(yù)先確定計算參數(shù),因為這些參數(shù)通常是通過某些常規(guī)的現(xiàn)場試驗(如量測巖體彈性模量的壓板試驗和量測地應(yīng)力的應(yīng)力解除技術(shù))確定的。但由于地質(zhì)條件和地形等的多變,需要大量地進行各種試驗,且完成這些現(xiàn)場試驗又需要較長時間、較多勞力和大量經(jīng)費,以至于一般工程難以實現(xiàn)。故巖體物理力學(xué)參數(shù)一直是困擾巖體力學(xué)深入研究的難題。

本文采用裂隙統(tǒng)計、力學(xué)理論、巖石質(zhì)量指標值及位移反分析等多種方法,綜合確定巖體物理力學(xué)參數(shù)。該方法是以實驗室測試的巖塊物理力學(xué)指標為基礎(chǔ),根據(jù)試驗觀測

到的裂隙率、巖石質(zhì)量指標值和波速測試資料,確定出初步的巖體物理力學(xué)參數(shù);在此基礎(chǔ)上進行位移反分析,確定出合理的巖體物理力學(xué)參數(shù)。見表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)表

四 計算結(jié)果分析

(一) 走向模型Ⅰ的分析結(jié)果

1 巖體水平移動分析

隨著采掘工作面的不斷推進,該模型單元發(fā)生了連續(xù)的變形,再依據(jù)各節(jié)點上所發(fā)生的位移,利用計算處的結(jié)果,繪制了1011工作面在各回采階段的位移等值線圖,工作面推進100.50 m、300.50 m時走向模型Ⅰ的水平位移等值線圖,分別如圖4、圖5所示。

從上圖中可以看出,開采初期,覆巖內(nèi)移動變形量在水平方向較小,其兩側(cè)覆巖水平位移值在方向上是相反的;從數(shù)值上可以看:近采空區(qū)覆巖的水平位移隨深度增加而增大,而遠采空區(qū)的覆巖的水平位移隨深度增加而減小。同事,在開采過程出現(xiàn)了多條變形量在水平方向移動為零的等值線,特別是在開采結(jié)束后的的等值線(圖5中F線);由于存在邊界條件的制約,在模型的左右邊界和下部邊界,其水平位移等值線同零位移等值線F連接,兩條零位移等值線F將巖體水平位移在數(shù)值上分成四個區(qū):AE遠離采空區(qū)的負向移動區(qū)、近采空區(qū)的正向移動區(qū)和負向移動區(qū)及G-I正向移動區(qū)。

2 覆巖體在豎向移動分析

在采空區(qū)中部的上方,出現(xiàn)了覆巖最大的豎向位移。充分采動后走向模型Ⅰ覆巖豎向移動有原先的漏斗逐漸變成對稱狀,且隨著采空區(qū)的充填、壓實,豎向位移主要發(fā)在在煤壁處。從不同開采階段的豎向位移等值線來看,開采初始階段,豎向位移等值線在采空區(qū)上方呈現(xiàn)閉合狀態(tài),覆巖的豎向位移不明顯,且超前影響范圍不大;但隨工作面向前推進,豎向位移等值線逐漸變?yōu)椴婚]合曲線,豎向位移也隨之增大,且超前距離也隨之增加。

(二) 傾向模型Ⅱ計算結(jié)果

1 覆巖豎向移動分析

從已采區(qū)覆巖體內(nèi)各節(jié)點下沉值由上往下逐漸減小可以判斷出,覆巖內(nèi)由下往上是呈現(xiàn)冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶的發(fā)展過程。從垂直位移等值線圖可以看出,開采初期垂直移動等值線在采空區(qū)上方是閉合的,隨著工作面的向前推進,逐漸變?yōu)椴婚]合曲線。這點與走向模型Ⅰ分析結(jié)果相近。

2 覆巖水平移動分析

通過對傾向模型Ⅱ覆巖水平方向下沉等值線圖可以看出,可將采空區(qū)上方覆巖區(qū)劃分成6個區(qū),在近采空區(qū)內(nèi),水平方向上移動值比較小,而在遠采空區(qū)水平移動值較大;且覆巖水平移動值隨離采空區(qū)距離的增加而加大。

五 井下導(dǎo)水裂隙帶的高度分析

通過FLAC程序?qū)δＰ蛿?shù)值的模擬計算,再根據(jù)破壞準則、塑性條件、位移及應(yīng)力等的判別,可精確地確定出冒落帶、導(dǎo)水裂縫帶的相對高度,如表2所示。

表2 計算機數(shù)值模擬計算結(jié)果

本文采取一定的建模原則,通過對FLAC數(shù)值模擬程序的引用,依據(jù)五溝井田1011采掘工作面開采地質(zhì)工程條件,建立了走向和傾向兩個計算模型,并選取相應(yīng)的參數(shù)進行數(shù)值模擬計算,獲得以下五點認知:開采初期,覆巖內(nèi)移動變形量在水平方向較小,兩側(cè)位移方向相反;在已采區(qū),隨著距離變化而出現(xiàn)兩種趨勢,近采空區(qū)內(nèi)覆巖的水平位移是深度的遞增函數(shù),而遠采空區(qū)內(nèi)是深度遞減函數(shù);通過模型,可以方便的將覆巖位移分區(qū)討論;覆巖豎向位移呈現(xiàn)由閉合曲線向不閉合曲線變化;由走向模型、傾向模型的冒落帶高度和導(dǎo)水裂隙帶高度的結(jié)果,初步得出完成對1011工作面開采后,最大導(dǎo)水裂隙帶高度達到45.50 m,如在此工作面上留設(shè)50.00 m的煤柱,回采期間可以認為是安全可行的。

[1] 顧金鐘.FLAC^3D在播卡礦區(qū)高邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用[J].山西建筑,2007,(6):23-25.

[2] 楊本水.受松散層含水體威脅的煤層綠色開采關(guān)鍵技術(shù)的試驗研究[J].煤炭學(xué)報,2009,(6):582-586.

[3] 桂和榮.厚松散層及超薄覆巖條件下放頂煤開采防砂煤柱[J].煤田地質(zhì)與勘探,2002,(2):36-40.

[4] 國家煤炭工業(yè)局制定.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2008.

[5] 申寶宏.綜放工作面覆巖破壞規(guī)律的觀測研究[J].煤田地質(zhì)與勘探,2008,(5):42-43.

[6] 張文藝,鐘梅英.巨厚松散層下綜放開采兩帶高度探測[J].礦山壓力與頂板管理,2000,(3):55-57.

[7] 廖學(xué)東.松散含水層下采煤合理煤巖柱高度的確定[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報,2003,(6):768-769.

[8] 涂敏,余忠林.巨厚松散強含水層下開采覆巖移動破壞分析[J].礦山壓力與頂板管理,2009,(2):1-4.

[9] 張文藝,汪文革,彭衛(wèi)東,等.潘謝礦區(qū)縮小防水煤柱開采實踐[J].煤炭學(xué)報,2002,(2):128-133.

AbstractFast Lagrangian Analysis Of Continuam,which is a computer software,is applied in this paper. The available drilling information and the soil test report of face 1011 inWugouMine has been based.According to certain modeling principles,two computermodels,the strikemodelⅠand the inclinemodelⅡ,are designed for the face’s specific conditions.The analysisofmined upper cover rockmovement evolution will be discussed on the horizontal and verticalmovement laws respectively.Whereupon the caving zone’s distribution and thewater flowing fractured zone’height can be predicted.

Key wordsmodeling principles;the strike model;the incline model;water flowing fractured zone

Research on Rules of Cover Rock’sDestructiveMoving on 1011 Working Face inWugouMine

DOU zhong-si

(Huainan Vocational&Technical College,Huainan Anhui232001)

TD325

A

1671-4733(2010)04-0006-04

DO I:10.3969/j.issn.1671-4733.2010.04.002

2010-11-17

竇仲四(1978-),男,安徽六安人,碩士,講師,從事教學(xué)及管理工作,電話:0554-6656582。