緩傾斜煤層開采沉陷的三維有限元模擬＊

仇圣華吳志平程洪良胡克峰張志敏

(1.上海應用技術學院城市建設與安全工程學院,上海市漕寶路,200235) (2.山東華寧礦業集團有限公司,山東省寧陽縣,271400)

★煤炭科技·開拓與開采 ★

緩傾斜煤層開采沉陷的三維有限元模擬＊

仇圣華1吳志平1程洪良2胡克峰2張志敏2

(1.上海應用技術學院城市建設與安全工程學院,上海市漕寶路,200235) (2.山東華寧礦業集團有限公司,山東省寧陽縣,271400)

根據某井田內煤層賦存狀況及斷層特征等,通過對小斷層、厚度較小地層的歸并,建立了區域三維地質概化模型,并進行三維有限元模擬計算分析,得出該區域內緩傾斜煤層開采后其地表變形值。

緩傾斜煤層 煤層開采 地表變形 地質概化模型 計算機模擬

AbstractOn the basis of the occurrence conditions of coal seams and the characters of the faults in a certain mine field,small and similar contiguous faults and thin strata are incorporated in the study to establish a three-dimensional general geological model to carry out the three-dimensional finite element(FEM)simulation analysis,which produces the ground deformation values as a result of the coal mining in the gently inclined coal seams in this region.

Key wordsgently inclined coal seam,coal mining,ground deformation,general geological model,computerized simulation

1 工程概況

某井田范圍內主采煤層為3上煤層和3下煤層,煤層均為單一結構,煤層傾角19°,3上煤層平均厚5.2 m,3下煤層平均厚1.3 m。井田范圍內地表為粘土、黃土,以粘土為主。隨后從上往下依次為紅砂巖、粘土巖、中砂巖、粘土巖、中砂巖、粘土巖、細砂巖、3上煤層、砂質粘土頁巖。3下煤層、細砂巖及砂質頁巖。3上煤層平均埋深174 m。

該區域內主要有 F26、F1-4、F1-5、F1-6、F23和Fx-2等張性斷層,它們對煤層開采極為不利。其特征如下:

(1)F26,傾角20～70°,取48°,落差 H=100 m。

(2)F1-4,傾角50°,落差 H=0-10 m,取6 m;F1-5,傾角50°,落差 H=8 m。

為便于模擬計算,將這兩條小斷層歸并為一條,且位于這兩條斷層之間。

(3)F1-6,傾角40～50°,落差 H=10 m。

(4)F23,傾角25～55°,取42°,落差 H=70 m。

(5)Fx-2,傾角45°,落差 H=10～25 m。

井田范圍內煤層剖面示意圖見圖1。

圖1 煤層剖面示意圖

2 三維有限元模擬模型的建立

2.1計算區域

模型計算區域取長450 m,寬400 m,深250 m,平面尺寸為450 m×400 m。上部邊界取至地表,下部邊界取至第11層——擬開采煤層的下表面以下134.97 m。

2.2 模型坐標體系

三維有限元模擬模型的總體坐標系的 X軸與煤層剖面方向一致,即從左3上煤層到右3下煤層; Y軸方向從計算邊界的下部到上部表面;Z軸方向按右手螺旋垂直紙面,沿煤層走向,見圖2。

圖2 幾何模型圖

2.3 邊界條件

計算上部邊界為自由邊界,下部邊界為位移約束邊界,側向邊界在垂直于表面的水平方向為位移約束邊界,豎向為自由變形邊界。

2.4 單元劃分

采用8節點六面體單元離散各層地層及煤層,見圖3。應用最大拉應力判據,結合Drucker-Prager準則來確定煤層開采的應力、位移及可能出現的破壞范圍,以此來確定區域地層的穩定性及該區域煤層開采地表變形規律等。

圖3 三維網格圖

2.5 巖層參數

根據區域地質勘探報告及室內力學實驗結果,巖層主要力學性質參數見表1。

表1 地層力學性質參數表

2.6 回采工作面的布置及模擬計算

鑒于回采區域地質條件比較復雜,擬布置3100和3102兩個回采工作面。

(1)3100回采工作面及其尺寸。

回采工作面擬簡化為 3塊,其中第一條帶(塊) (簡稱左一)寬40 m×長120 m,第二條帶(塊) (簡稱左二)寬20 m×長120 m,第三條帶(塊) (簡稱左三)寬40 m×長120 m。其中擬回采的3上煤層左側離左邊界174 m;擬回采的3下煤層左側離左邊界180 m。

(2)3102回采工作面及其尺寸。

3102回采工作面擬簡化為4塊,其中第一條帶 (塊)(簡稱右一)寬28 m×長120 m,第二條帶 (塊)(簡稱右二)寬14 m×長120 m,第三條帶 (塊)(簡稱右三)寬10 m×長120m,第四條帶 (塊)(簡稱右四)寬20 m×長120 m。其中擬回采的3上煤層左側離左邊界為294 m;擬回采的3下煤層左側離左邊界為286 m。

(3)回采3100工作面工況設計。

工況1。開采左一的寬40 m×長120 m與左三的寬40 m×長120 m塊段。

工況2(后退20 m)。開采左一的寬40 m×長100 m與左三的寬40 m×長100 m塊段。

工況3(后退40 m)。開采左一的寬40 m×長80 m、左二的寬20 m×長80 m及左三寬40 m×長80 m塊段。

工況4(后退20 m)。開采左一的寬40 m×長100 m(總長度減少20 m)、左二的寬20 m×長100 m及左三的寬40 m×長100 m塊段。

工況5(后退40 m)。開采左一的寬40 m×長80 m和左三的寬40 m×長80 m塊段。

工況6(后退40 m)。開采左一的寬30 m×長80 m與左三的寬30 m×長80 m塊段。

(4)回采3102工作面工況設計。

工況1。開采右一的寬28 m×長120 m、右三的寬10 m×長120 m和右四的寬20 m×長120 m塊段煤層。

工況2。開采右一的寬28 m×長120 m、右二的寬14 m×長120 m、右四的寬20 m×長120 m塊段煤層。

(5)同時回采3100與3102工作面工況設計。

工況1。回采3100工作面左一寬40 m×長80 m(總長度減少40 m)、左三寬40 m×長80 m;回采3102工作面右一寬28 m×長120 m、右三寬10 m×長120 m、右四寬20 m×長120 m塊段煤層。

工況2。回采3100工作面左一寬40 m×長120 m、左二寬20 m×長120 m、左三寬40 m×長120 m的三塊段;回采3102工作面右一寬28 m×長120 m、右二寬14 m×長120 m、右三寬10 m ×長120 m、右四寬20 m×長120 m的四塊段煤層。

模擬計算時,綜合考慮各因素影響程度,對部分地層彈性模量進行了適當折減。

3 三維模擬計算結果

同時回采3100與3102工作面時地表變形如圖4所示。

通過有限元模擬計算結果:開采3100工作面時地表最大垂直變形為454 mm,開采3102工作面時水平方向最大變形13 mm。在3100、3102工作面錯時開采與這兩個工作面同時回采過程中,地表垂直變形變化較小。隨著回采工作的繼續,區域地表逐漸形成盆地,最大垂直變形位于開采煤層中心點法線方向。當3100、3102兩工作面同時回采時,地表垂直變形達到最大值520 mm。

圖4 兩工作面同時回采 (工況1)時地表變形圖

4 結論

地下煤層開采后導致頂板冒落、覆巖斷裂、離層,并引起地表發生移動變形,最終形成下沉盆地。隨著地下煤層的不斷開采,地表損害越來越嚴重。

通過對井田內地下緩傾斜煤層在多種回采工況下,煤炭回采后地表變形的預測研究,得出如下結論:

(1)在3100、3102工作面錯時開采與這兩個工作面同時回采過程中,地表垂直變形沒有明顯變化。隨著回采繼續,區域地表逐漸形成盆地,最大下沉位置位于開采煤層中心點法線方向;

(2)通過對多種工況下地下緩傾斜煤層開采后的地表垂直變形預測結果的對比,同時回采3100、3102工作面和錯時分別回采3100、3102工作面對地表產生的垂直變形差別較小,這與煤層的埋深、上覆巖層厚度及其力學性質密切相關;

(3)研究建立的用于區域內地下緩傾斜煤層開采地表變形預測的三維區域地質概化模型方法可行,計算結果為該礦開采區域緩傾斜煤層引起的地表變形狀況提供定量依據,為該礦科學安全開采區域煤層具有重要指導價值。

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3-D finite element simulation of ground subsidence resulting from mining in gently inclined coal seams

Qiu Shenghua1,Wu Zhiping1,Cheng Hongliang2,Hu Kefeng2,Zhang Zhimin2
(1.School of Urban Construction and Safety Engineering,Shanghai Institute of Technology, Caobao Road,Shanghai 200235,China; 2.Shandong Huaning Mining Group Co Ltd,Ningyang,Shandong province 271400,China)

TD325

B

仇圣華 (1967-),男,江蘇人,1994年畢業于山東科技大學資源與環境工程學院,碩士學位; 2002年畢業于同濟大學,獲工學博士學位;高級工程師,副教授。現從事地下結構工程及工程管理方面教學與研究工作,發表論文二十多篇。

(責任編輯 張毅玲)

本文得到上海市教委重點學科項目(J51502)和學校引進人才基金項目 (YJ2008-11)資助。