五沟矿井1011工作面覆岩破坏移动规律研究

窦仲四

(淮南职业技术学院, 安徽淮南 232001)

五沟矿井1011工作面覆岩破坏移动规律研究

窦仲四

(淮南职业技术学院, 安徽淮南 232001)

以皖北五沟矿井1011采掘工作面的测井钻孔资料及岩土试验报告为依据,按照该采掘面的实际情况,按照一定建模原则,设计两个计算模型:走向模型Ⅰ和倾向模型Ⅱ,分析开采后上覆岩层移动演化特征,分别从覆岩横向、竖向移动规律进行探讨,从而预测冒落带的分布、导水裂隙带的高度。

建模原则; 走向模型; 倾向模型; 导水裂隙带

一 五沟矿井简介

井田开采面积15 km2,可采储量为4 000万t,煤种为中低灰、低硫、低磷、高热值、强粘结性的肥煤、焦煤、1/3焦煤,以及少量气煤;煤种稀有,煤质优良,是比较短缺、市场供应紧张的炼焦或配焦用煤。新生界松散层底部含水体是五沟煤矿乃至整个两淮新区矿井开采薄基岩浅埋煤层的主要充水水源之一,深入分析研究松散层下部含、隔水层的分布状况、工作面覆岩破坏移动规律、合理留设煤住对矿井的开采有着十分重要的意义。

二 模型设计与本构关系

(一) 计算模型建立原则

数值分析相对来说是比较抽象的,为了更接近现实需要而进行合理的概括是必须的。但是由于覆岩及其结构的复杂性,本模型的设计不可能完全考虑各种影响因素。本文模型主要遵循如下几条原则来进行设计的。

影响覆岩破坏移动的主要因素;考虑其边界效应,选择适当的边界条件;体现采掘面的推进过程,能体现出覆岩冒裂的时间差。

(二) 几何模型的确立

井下开采是要解决一个三维空间问题,但是操作起来非常繁琐,可以说不具备实际可操作性。故可以通过简化为二维问题来处理。再根据皖北五沟矿井1011工作面巷道布置特点,基于图1(长度单位:m)中的A-A和B-B剖面设计处两个计算模型:走向模型Ⅰ(如图2所示)和倾向模型Ⅱ(如图3所示)。

图1 五沟煤矿1011工作面布置平面示意图

1 模型范围的确定

通常情况下,已采区的顶板覆岩移动要比底板移动大的多,本文主要探讨随着采掘过程的深入顶板覆岩体所发生变形特征,因此,该模型的主要范围设定为顶板的覆岩体。鉴于考虑到开采煤层与底板、顶板之间变形的协调性,适当的增加了部分底板范围,从而使模型数值计算更接近于实际情况。图2中Ⅰ的范围确定:从煤层顶板以上到地表共270.10 m高度设为模型的上部,从煤层底板向下10.20 m深度设为模型的下边界,以开切眼和收作线各向外延伸100.50 m距离作为模型的左、右边界。图3中Ⅱ的上、下边界设定同走向模型Ⅰ相似,左、右边界以运输巷和回风巷各向外延伸60.50 m作为界限。

2 模型边界条件的选择

图2Ⅰ和图3Ⅱ所使用约束边界条件大体相似,在这两个模型的左边界、右边界及底界采用零位移边界条件,具体如下所示:

模型上部边界为地表,不约束,为自由边界;

模型下部边界取u=v=0,为全约束边界;

模型左右边界取u=0,v 0(u为x方向位移,v为y方向位移),即单约束边界。

三 覆岩体相关力学参数的选取

对于覆岩工程设计来说,关键问题之一就是如何预先确定计算参数,因为这些参数通常是通过某些常规的现场试验(如量测岩体弹性模量的压板试验和量测地应力的应力解除技术)确定的。但由于地质条件和地形等的多变,需要大量地进行各种试验,且完成这些现场试验又需要较长时间、较多劳力和大量经费,以至于一般工程难以实现。故岩体物理力学参数一直是困扰岩体力学深入研究的难题。

本文采用裂隙统计、力学理论、岩石质量指标值及位移反分析等多种方法,综合确定岩体物理力学参数。该方法是以实验室测试的岩块物理力学指标为基础,根据试验观测

到的裂隙率、岩石质量指标值和波速测试资料,确定出初步的岩体物理力学参数;在此基础上进行位移反分析,确定出合理的岩体物理力学参数。见表1。

表1 岩体力学参数表

四 计算结果分析

(一) 走向模型Ⅰ的分析结果

1 岩体水平移动分析

随着采掘工作面的不断推进,该模型单元发生了连续的变形,再依据各节点上所发生的位移,利用计算处的结果,绘制了1011工作面在各回采阶段的位移等值线图,工作面推进100.50 m、300.50 m时走向模型Ⅰ的水平位移等值线图,分别如图4、图5所示。

从上图中可以看出,开采初期,覆岩内移动变形量在水平方向较小,其两侧覆岩水平位移值在方向上是相反的;从数值上可以看:近采空区覆岩的水平位移随深度增加而增大,而远采空区的覆岩的水平位移随深度增加而减小。同事,在开采过程出现了多条变形量在水平方向移动为零的等值线,特别是在开采结束后的的等值线(图5中F线);由于存在边界条件的制约,在模型的左右边界和下部边界,其水平位移等值线同零位移等值线F连接,两条零位移等值线F将岩体水平位移在数值上分成四个区:AE远离采空区的负向移动区、近采空区的正向移动区和负向移动区及G-I正向移动区。

2 覆岩体在竖向移动分析

在采空区中部的上方,出现了覆岩最大的竖向位移。充分采动后走向模型Ⅰ覆岩竖向移动有原先的漏斗逐渐变成对称状,且随着采空区的充填、压实,竖向位移主要发在在煤壁处。从不同开采阶段的竖向位移等值线来看,开采初始阶段,竖向位移等值线在采空区上方呈现闭合状态,覆岩的竖向位移不明显,且超前影响范围不大;但随工作面向前推进,竖向位移等值线逐渐变为不闭合曲线,竖向位移也随之增大,且超前距离也随之增加。

(二) 倾向模型Ⅱ计算结果

1 覆岩竖向移动分析

从已采区覆岩体内各节点下沉值由上往下逐渐减小可以判断出,覆岩内由下往上是呈现冒落带、裂隙带、弯曲下沉带的发展过程。从垂直位移等值线图可以看出,开采初期垂直移动等值线在采空区上方是闭合的,随着工作面的向前推进,逐渐变为不闭合曲线。这点与走向模型Ⅰ分析结果相近。

2 覆岩水平移动分析

通过对倾向模型Ⅱ覆岩水平方向下沉等值线图可以看出,可将采空区上方覆岩区划分成6个区,在近采空区内,水平方向上移动值比较小,而在远采空区水平移动值较大;且覆岩水平移动值随离采空区距离的增加而加大。

五 井下导水裂隙带的高度分析

通过FLAC程序对模型数值的模拟计算,再根据破坏准则、塑性条件、位移及应力等的判别,可精确地确定出冒落带、导水裂缝带的相对高度,如表2所示。

表2 计算机数值模拟计算结果

本文采取一定的建模原则,通过对FLAC数值模拟程序的引用,依据五沟井田1011采掘工作面开采地质工程条件,建立了走向和倾向两个计算模型,并选取相应的参数进行数值模拟计算,获得以下五点认知:开采初期,覆岩内移动变形量在水平方向较小,两侧位移方向相反;在已采区,随着距离变化而出现两种趋势,近采空区内覆岩的水平位移是深度的递增函数,而远采空区内是深度递减函数;通过模型,可以方便的将覆岩位移分区讨论;覆岩竖向位移呈现由闭合曲线向不闭合曲线变化;由走向模型、倾向模型的冒落带高度和导水裂隙带高度的结果,初步得出完成对1011工作面开采后,最大导水裂隙带高度达到45.50 m,如在此工作面上留设50.00 m的煤柱,回采期间可以认为是安全可行的。

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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

窦仲四(1978-),男,安徽六安人,硕士,讲师,从事教学及管理工作,电话:0554-6656582。