缓倾斜煤层开采沉陷的三维有限元模拟＊

仇圣华吴志平程洪良胡克峰张志敏

(1.上海应用技术学院城市建设与安全工程学院,上海市漕宝路,200235) (2.山东华宁矿业集团有限公司,山东省宁阳县,271400)

★煤炭科技·开拓与开采 ★

缓倾斜煤层开采沉陷的三维有限元模拟＊

仇圣华1吴志平1程洪良2胡克峰2张志敏2

(1.上海应用技术学院城市建设与安全工程学院,上海市漕宝路,200235) (2.山东华宁矿业集团有限公司,山东省宁阳县,271400)

根据某井田内煤层赋存状况及断层特征等,通过对小断层、厚度较小地层的归并,建立了区域三维地质概化模型,并进行三维有限元模拟计算分析,得出该区域内缓倾斜煤层开采后其地表变形值。

缓倾斜煤层 煤层开采 地表变形 地质概化模型 计算机模拟

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 工程概况

某井田范围内主采煤层为3上煤层和3下煤层,煤层均为单一结构,煤层倾角19°,3上煤层平均厚5.2 m,3下煤层平均厚1.3 m。井田范围内地表为粘土、黄土,以粘土为主。随后从上往下依次为红砂岩、粘土岩、中砂岩、粘土岩、中砂岩、粘土岩、细砂岩、3上煤层、砂质粘土页岩。3下煤层、细砂岩及砂质页岩。3上煤层平均埋深174 m。

该区域内主要有 F26、F1-4、F1-5、F1-6、F23和Fx-2等张性断层,它们对煤层开采极为不利。其特征如下:

(1)F26,倾角20～70°,取48°,落差 H=100 m。

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

为便于模拟计算,将这两条小断层归并为一条,且位于这两条断层之间。

(3)F1-6,倾角40～50°,落差 H=10 m。

(4)F23,倾角25～55°,取42°,落差 H=70 m。

(5)Fx-2,倾角45°,落差 H=10～25 m。

井田范围内煤层剖面示意图见图1。

图1 煤层剖面示意图

2 三维有限元模拟模型的建立

2.1计算区域

模型计算区域取长450 m,宽400 m,深250 m,平面尺寸为450 m×400 m。上部边界取至地表,下部边界取至第11层——拟开采煤层的下表面以下134.97 m。

2.2 模型坐标体系

三维有限元模拟模型的总体坐标系的 X轴与煤层剖面方向一致,即从左3上煤层到右3下煤层; Y轴方向从计算边界的下部到上部表面;Z轴方向按右手螺旋垂直纸面,沿煤层走向,见图2。

图2 几何模型图

2.3 边界条件

计算上部边界为自由边界,下部边界为位移约束边界,侧向边界在垂直于表面的水平方向为位移约束边界,竖向为自由变形边界。

2.4 单元划分

采用8节点六面体单元离散各层地层及煤层,见图3。应用最大拉应力判据,结合Drucker-Prager准则来确定煤层开采的应力、位移及可能出现的破坏范围,以此来确定区域地层的稳定性及该区域煤层开采地表变形规律等。

图3 三维网格图

2.5 岩层参数

根据区域地质勘探报告及室内力学实验结果,岩层主要力学性质参数见表1。

表1 地层力学性质参数表

2.6 回采工作面的布置及模拟计算

鉴于回采区域地质条件比较复杂,拟布置3100和3102两个回采工作面。

(1)3100回采工作面及其尺寸。

回采工作面拟简化为 3块,其中第一条带(块) (简称左一)宽40 m×长120 m,第二条带(块) (简称左二)宽20 m×长120 m,第三条带(块) (简称左三)宽40 m×长120 m。其中拟回采的3上煤层左侧离左边界174 m;拟回采的3下煤层左侧离左边界180 m。

(2)3102回采工作面及其尺寸。

3102回采工作面拟简化为4块,其中第一条带 (块)(简称右一)宽28 m×长120 m,第二条带 (块)(简称右二)宽14 m×长120 m,第三条带 (块)(简称右三)宽10 m×长120m,第四条带 (块)(简称右四)宽20 m×长120 m。其中拟回采的3上煤层左侧离左边界为294 m;拟回采的3下煤层左侧离左边界为286 m。

(3)回采3100工作面工况设计。

工况1。开采左一的宽40 m×长120 m与左三的宽40 m×长120 m块段。

工况2(后退20 m)。开采左一的宽40 m×长100 m与左三的宽40 m×长100 m块段。

工况3(后退40 m)。开采左一的宽40 m×长80 m、左二的宽20 m×长80 m及左三宽40 m×长80 m块段。

工况4(后退20 m)。开采左一的宽40 m×长100 m(总长度减少20 m)、左二的宽20 m×长100 m及左三的宽40 m×长100 m块段。

工况5(后退40 m)。开采左一的宽40 m×长80 m和左三的宽40 m×长80 m块段。

工况6(后退40 m)。开采左一的宽30 m×长80 m与左三的宽30 m×长80 m块段。

(4)回采3102工作面工况设计。

工况1。开采右一的宽28 m×长120 m、右三的宽10 m×长120 m和右四的宽20 m×长120 m块段煤层。

工况2。开采右一的宽28 m×长120 m、右二的宽14 m×长120 m、右四的宽20 m×长120 m块段煤层。

(5)同时回采3100与3102工作面工况设计。

工况1。回采3100工作面左一宽40 m×长80 m(总长度减少40 m)、左三宽40 m×长80 m;回采3102工作面右一宽28 m×长120 m、右三宽10 m×长120 m、右四宽20 m×长120 m块段煤层。

工况2。回采3100工作面左一宽40 m×长120 m、左二宽20 m×长120 m、左三宽40 m×长120 m的三块段;回采3102工作面右一宽28 m×长120 m、右二宽14 m×长120 m、右三宽10 m ×长120 m、右四宽20 m×长120 m的四块段煤层。

模拟计算时,综合考虑各因素影响程度,对部分地层弹性模量进行了适当折减。

3 三维模拟计算结果

同时回采3100与3102工作面时地表变形如图4所示。

通过有限元模拟计算结果:开采3100工作面时地表最大垂直变形为454 mm,开采3102工作面时水平方向最大变形13 mm。在3100、3102工作面错时开采与这两个工作面同时回采过程中,地表垂直变形变化较小。随着回采工作的继续,区域地表逐渐形成盆地,最大垂直变形位于开采煤层中心点法线方向。当3100、3102两工作面同时回采时,地表垂直变形达到最大值520 mm。

图4 两工作面同时回采 (工况1)时地表变形图

4 结论

地下煤层开采后导致顶板冒落、覆岩断裂、离层,并引起地表发生移动变形,最终形成下沉盆地。随着地下煤层的不断开采,地表损害越来越严重。

通过对井田内地下缓倾斜煤层在多种回采工况下,煤炭回采后地表变形的预测研究,得出如下结论:

(1)在3100、3102工作面错时开采与这两个工作面同时回采过程中,地表垂直变形没有明显变化。随着回采继续,区域地表逐渐形成盆地,最大下沉位置位于开采煤层中心点法线方向;

(2)通过对多种工况下地下缓倾斜煤层开采后的地表垂直变形预测结果的对比,同时回采3100、3102工作面和错时分别回采3100、3102工作面对地表产生的垂直变形差别较小,这与煤层的埋深、上覆岩层厚度及其力学性质密切相关;

(3)研究建立的用于区域内地下缓倾斜煤层开采地表变形预测的三维区域地质概化模型方法可行,计算结果为该矿开采区域缓倾斜煤层引起的地表变形状况提供定量依据,为该矿科学安全开采区域煤层具有重要指导价值。

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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

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仇圣华 (1967-),男,江苏人,1994年毕业于山东科技大学资源与环境工程学院,硕士学位; 2002年毕业于同济大学,获工学博士学位;高级工程师,副教授。现从事地下结构工程及工程管理方面教学与研究工作,发表论文二十多篇。

(责任编辑 张毅玲)

本文得到上海市教委重点学科项目(J51502)和学校引进人才基金项目 (YJ2008-11)资助。