论文部分内容阅读
摘要：为了研究基岩风化带在急倾斜煤层开采的影响下的移动规律，运用求解非线性大变形问题有限差分法（FLAC3D）对急倾斜煤层开采下基岩风化带进行数值模拟，重点分析了基岩风化带的顶部和底部的应力与变形。得出了基岩风化带的最大下沉值以及水平移动都偏向于煤层的上山方向，但随着岩层运动的向上发展，受急倾斜煤层开采的影响也开始减弱，在基岩风化带顶部的变形与受力的最值都相对底部向采空区正中间偏移。
关键词：急倾斜煤层；基岩风化带；受力与变形
中图分类号：TD352文献标志码：A
目前，对基岩风化带的研究主要侧重于其工程地质特征、对缓倾斜煤层缩小留设防水煤柱以及风化带的含水和隔水性能作用的研究，而对急倾斜煤层上覆基岩风化带受重复采动作用的移动和变形规律，研究较少。本文以急倾斜煤层基岩风化带为研究对象，数值模拟为研究方法，分析急倾斜煤层开采下，上覆基岩风化带的变形规律。
1地质概况
新集三矿位于凤台县境内，处于淮南煤田中段南部的边缘。淮南新集三矿西三采区新生界地层由第四系和第三系组成，厚度为143～167 m，属于厚冲积层。 在厚冲积层和煤层之间有约35 m的风化带，主要有风化石英砂岩和风化泥岩组成。煤层倾角平均为60°西三采区主要可采煤层有3层，分别为13-1、 11-2、8-1，煤层间距平均55 m和85 m。由于井田特殊的区域构造位置，煤系地层呈不对称倾伏倒转褶曲形态，地层走向东西。采煤方法目前主要采用伪倾斜柔性掩护支架采煤法。采用全部垮落法管理顶板。
2数值模拟
根据模型设计的原则，并结合新集三矿地质条件，重点研究急倾斜煤层开采下基岩风化带的变形，为了简化计算，只模拟开采13-1和11-2情况。模型的长宽高分别1 200 m，700 m，400 m（见图1）。
采用理想的弹塑性模型，破坏准则选用mohr-coulomb准则。由于模型模拟至地表，则顶面设为自由边界，模型的四个侧面以及底面设为位移约束，施加应力梯度边界。
力学参数的选取由综合因素所确定，以淮南新集三矿为地质原型并结合相关文献所提供的岩体力学参数取值，确定了相关力学参数（见表1）。
3结果分析
沿煤层倾斜方向做位于y=350 m处的剖面，得其倾斜剖面基岩风化带顶部和底部的应力和最大、最小主应力以及位移数据（见图2～图7）。
3.1受力分析
基岩风化带底部在495 m11煤保护煤柱处，垂直应力达到最大值7.36 MPa（见图2），约为原岩应力的1.5倍， 沿11煤底板方向， 在距11煤底板140 m左右的范围内，垂直应力开始逐渐降低。直至0～355 m范围内，垂直应力近似于原岩应力。 沿11煤顶板方向， 距11煤顶板270 m左右范围内， 受采空区的扰动，此段范围基岩风化带的垂直应力先减小后又逐渐增大， 在距11煤顶板115 m左右，达到最小值为0.38 MPa，而后逐渐增大，距11煤顶板270左右的位置，垂直应力增大到5.85 MPa，但相对11煤保护煤柱上覆基岩风化带的垂直应力减少了1.51 MPa。在770～1 200 m范围内，垂直应力又逐渐减小直至原岩应力。基岩风化带顶部的变化趋势走向和底部基本一致，在数值上要整体小于底部所受垂直应力。在采空区上覆基岩风化带顶部垂直应力距11煤顶板125 m左右处，垂直应力达到最小值0.352 MPa。
岩层在自重应力的作用下直接顶顶板产生法向弯曲的同时，易受沿层理面向采空区的移动和滑落。煤层顶板受剪切或拉伸破坏，老顶向采空区弯曲，老顶的弯曲可以分解为沿水平方向和竖直方向两个位移分量。老顶的弯曲变形，必然引起其上覆基岩风化带的变形。采空区上覆基岩风化带以梁的形式，前端支承在11煤保护煤柱上，后端支承在未断裂的老顶上。急倾斜煤层老顶向采空区的弯曲，同时也导致采空区上方的基岩风化带在两端受力不同，前端支承点处的水平应力和垂直应力都要大于后端支承点。此段基岩风化带两端的受力不均，导致基岩的弯曲变形偏向于受力大的一端，即煤层的上山方向。因此基岩风化带的最大下沉值以及水平移动都偏向于煤层的上山方向。但随着岩层运动的向上发展，受急倾斜煤层开采的影响也开始减弱，在基岩风化带顶部的变形与受力的最值都相对底部向采空区正中间偏移。
参考文献：
[1]谢东海，冯涛，赵伏军.我国急倾斜煤层开采的现状及发展趋势[J].科技信息，2007 （14）：211-213.
[2]高明中，余忠林.厚冲积层急倾斜煤层群开采重复采动下的开采沉陷[J].煤炭学报，2007，32（4）：347-352.
[3]麻凤海，丁彧.大倾角多煤层开采地表移动规律的数值模拟研究[J].中国矿业，2009，18（6）：71-73.
[4]郭春颖，焦申华.大倾角特厚煤层水平分层（深部）综放开采地表沉陷与地表水渗流研究[J].中国矿业，2008，17（7）：82-86.
[5]杜国栋，李晓，丁恩保.矿体倾角对地表沉降的影响研究[J].金属矿山，2006（2）：9-11.
[6]戴华阳，蔡美峰，王金庄.基于倾角变化的最大下沉值计算方法[J].岩石力学与工程学报，2003，22（7）： 1 083-1 087.
[7]戴华阳.基于倾角变化的开采沉陷模型及其GIS可视化应用研究[J]. 岩石力学与工程学报，2002（1）： 148-153.
[8]杜计平.煤矿特殊开采方法[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.
[9]温彦良，常来山，张治强.急倾斜煤层开挖岩移规律及对底板巷道布置的影响[J].煤炭技术，2011（5）：66-68.
[10]王金安， 冯锦艳， 蔡美峰. 急倾斜煤层开采覆岩裂隙演化与渗流的分形研究[J]. 煤炭学报， 2008，33（2）：162-165.
（责任编辑：何学华，吴晓红）
关键词：急倾斜煤层；基岩风化带；受力与变形
中图分类号：TD352文献标志码：A
目前，对基岩风化带的研究主要侧重于其工程地质特征、对缓倾斜煤层缩小留设防水煤柱以及风化带的含水和隔水性能作用的研究，而对急倾斜煤层上覆基岩风化带受重复采动作用的移动和变形规律，研究较少。本文以急倾斜煤层基岩风化带为研究对象，数值模拟为研究方法，分析急倾斜煤层开采下，上覆基岩风化带的变形规律。
1地质概况
新集三矿位于凤台县境内，处于淮南煤田中段南部的边缘。淮南新集三矿西三采区新生界地层由第四系和第三系组成，厚度为143～167 m，属于厚冲积层。 在厚冲积层和煤层之间有约35 m的风化带，主要有风化石英砂岩和风化泥岩组成。煤层倾角平均为60°西三采区主要可采煤层有3层，分别为13-1、 11-2、8-1，煤层间距平均55 m和85 m。由于井田特殊的区域构造位置，煤系地层呈不对称倾伏倒转褶曲形态，地层走向东西。采煤方法目前主要采用伪倾斜柔性掩护支架采煤法。采用全部垮落法管理顶板。
2数值模拟
根据模型设计的原则，并结合新集三矿地质条件，重点研究急倾斜煤层开采下基岩风化带的变形，为了简化计算，只模拟开采13-1和11-2情况。模型的长宽高分别1 200 m，700 m，400 m（见图1）。
采用理想的弹塑性模型，破坏准则选用mohr-coulomb准则。由于模型模拟至地表，则顶面设为自由边界，模型的四个侧面以及底面设为位移约束，施加应力梯度边界。
力学参数的选取由综合因素所确定，以淮南新集三矿为地质原型并结合相关文献所提供的岩体力学参数取值，确定了相关力学参数（见表1）。
3结果分析
沿煤层倾斜方向做位于y=350 m处的剖面，得其倾斜剖面基岩风化带顶部和底部的应力和最大、最小主应力以及位移数据（见图2～图7）。
3.1受力分析
基岩风化带底部在495 m11煤保护煤柱处，垂直应力达到最大值7.36 MPa（见图2），约为原岩应力的1.5倍， 沿11煤底板方向， 在距11煤底板140 m左右的范围内，垂直应力开始逐渐降低。直至0～355 m范围内，垂直应力近似于原岩应力。 沿11煤顶板方向， 距11煤顶板270 m左右范围内， 受采空区的扰动，此段范围基岩风化带的垂直应力先减小后又逐渐增大， 在距11煤顶板115 m左右，达到最小值为0.38 MPa，而后逐渐增大，距11煤顶板270左右的位置，垂直应力增大到5.85 MPa，但相对11煤保护煤柱上覆基岩风化带的垂直应力减少了1.51 MPa。在770～1 200 m范围内，垂直应力又逐渐减小直至原岩应力。基岩风化带顶部的变化趋势走向和底部基本一致，在数值上要整体小于底部所受垂直应力。在采空区上覆基岩风化带顶部垂直应力距11煤顶板125 m左右处，垂直应力达到最小值0.352 MPa。
岩层在自重应力的作用下直接顶顶板产生法向弯曲的同时，易受沿层理面向采空区的移动和滑落。煤层顶板受剪切或拉伸破坏，老顶向采空区弯曲，老顶的弯曲可以分解为沿水平方向和竖直方向两个位移分量。老顶的弯曲变形，必然引起其上覆基岩风化带的变形。采空区上覆基岩风化带以梁的形式，前端支承在11煤保护煤柱上，后端支承在未断裂的老顶上。急倾斜煤层老顶向采空区的弯曲，同时也导致采空区上方的基岩风化带在两端受力不同，前端支承点处的水平应力和垂直应力都要大于后端支承点。此段基岩风化带两端的受力不均，导致基岩的弯曲变形偏向于受力大的一端，即煤层的上山方向。因此基岩风化带的最大下沉值以及水平移动都偏向于煤层的上山方向。但随着岩层运动的向上发展，受急倾斜煤层开采的影响也开始减弱，在基岩风化带顶部的变形与受力的最值都相对底部向采空区正中间偏移。
参考文献：
[1]谢东海，冯涛，赵伏军.我国急倾斜煤层开采的现状及发展趋势[J].科技信息，2007 （14）：211-213.
[2]高明中，余忠林.厚冲积层急倾斜煤层群开采重复采动下的开采沉陷[J].煤炭学报，2007，32（4）：347-352.
[3]麻凤海，丁彧.大倾角多煤层开采地表移动规律的数值模拟研究[J].中国矿业，2009，18（6）：71-73.
[4]郭春颖，焦申华.大倾角特厚煤层水平分层（深部）综放开采地表沉陷与地表水渗流研究[J].中国矿业，2008，17（7）：82-86.
[5]杜国栋，李晓，丁恩保.矿体倾角对地表沉降的影响研究[J].金属矿山，2006（2）：9-11.
[6]戴华阳，蔡美峰，王金庄.基于倾角变化的最大下沉值计算方法[J].岩石力学与工程学报，2003，22（7）： 1 083-1 087.
[7]戴华阳.基于倾角变化的开采沉陷模型及其GIS可视化应用研究[J]. 岩石力学与工程学报，2002（1）： 148-153.
[8]杜计平.煤矿特殊开采方法[M].徐州：中国矿业大学出版社，2003.
[9]温彦良，常来山，张治强.急倾斜煤层开挖岩移规律及对底板巷道布置的影响[J].煤炭技术，2011（5）：66-68.
[10]王金安， 冯锦艳， 蔡美峰. 急倾斜煤层开采覆岩裂隙演化与渗流的分形研究[J]. 煤炭学报， 2008，33（2）：162-165.
（责任编辑：何学华，吴晓红）