建筑物下采煤的地表沉陷预测方法

表土物理力学参数 ρ
υ (103 kg/ m3 )
0. 32
1970
0. 3
2000
C ( M Pa) 0. 125 0. 145
摩擦 角 24 15
图 1 顺序式开采示意图
图 2 间隔式开采示意图
(4) 模拟计算不考虑与时间有关的物理量 。 3. 2 模型建立
进行模拟计算的模型采用 FL AC4. 0 建立 ,坐标原 点设在左下角 ,X 轴水平 ,由左向右方向为正方向 ; Y 轴 竖直 ,由下向上为正 。在模型的左侧 ,固定 X、Y 方向位 移 ,在其底部只固定 Y 方向位移 ,在其右侧只固定 X 方 向位移 。 3. 3 网格划分
地下开采引起的岩层移动及地表下沉是一个复杂 的物理 、力学变化过程 ,它涉及到采矿的各个领域 。在 国外 ,早在 15 世纪 ,地表开采沉陷问题就已被人们所注 意 。我国从 20 世纪 50 年代开始研究村庄下压煤不迁 村开采技术 ,前期以引进和学习国外先进经验为主 。我 国建筑物下采煤的试验研究工作从 20 世纪 60 年代开 始 ,先后在本溪 、鹤壁 、抚顺 、枣庄 、峰峰 、蛟河等矿区进 行建筑物下采煤试验 ,取得了丰富的经验和宝贵的监测 资料 。然而 ,在涉及到开采方法与地表移动和变形的关
采用间隔开采时 ,倾斜值为 2. 871mm/ m ,参照《砖 石结构建筑物的破坏 (保护) 等级》,开采后建筑物的破 坏等级为 Ⅰ级 ;主要是由于 24607 工作面和 24611 工作 面开采后造成地表倾向变形值相互抵消所致 。采用顺 序开采时 ,倾斜值为 5. 001mm/ m ,开采后建筑物的破 坏等级为 Ⅱ级 。因此 ,根据地表倾斜变形值分析 ,间隔 式开采要优于顺序式开采 。
ρ= 1600 + 800 (1 - e - ) 1. 25t kg/ m3
(3)
E = 15 + 175 (1 - e - 1. 25t ) M Pa
(4)
μ = 0 . 05 + 0. 2 (1 - e - ) 1. 25t
(5)
式 (4) ～式 (6) 中 :时间 t 的单位为 a 。
3. 5 边界条件的确定
ρ (103 kg/ m3 )
2580 2430 2. 325 2540 2440 2520 1400 2720
C ( M Pa) 1. 15
2. 3 23. 3 0. 40 2. 25 0. 43 0. 8 0. 98
摩擦 角
28 14 30 30 25 25 20 31
(3) 冒落矸石物理力学参数 采空区冒落矸石是一种松散介质 ,随着间隔时间的
系时 ,迄今对其研究还比较少 ,涉及到地面建筑物的保 护就更少 。运用 FL AC 数值模拟软件对其进行预测 , 并与现场实测数据进行对比 ,以揭示其规律 。 2 工程概况
湖南伍家冲矿 24 采区位于井田北翼 ,北邻矿井边 界 ,南临 22 采区 , 浅部至北大巷保安煤柱 , 深部至 350m 煤层底板等高线 ,整个采区面积约为 22 ×104 m2 , 地质储量为 79 ×104 t ,工业储量为 66 ×104 t ,可采储量 52. 8 ×104 t 。根据钻孔资料表明 ,采区出露地层与井田 地层一致 ,有二叠系 、三叠系和第四系 ,成煤时代属二叠 系乐平统龙潭组属三角洲平原的沼泽沉积含煤段平均 厚度为 3. 59m ,区内有 1908 一个钻孔 。采区设计主采 六煤 。采区地层呈单斜构造 ,倾角 13°左右 ,浅部地层 , 小型地质构造发育 ,采区南翼边界是 F8 断层 ,次生构 造发育 。地面建筑物多为民用住宅 ,比较密集 ,不宜搬 迁。 3 数学模型的建立
2. 871 5. 001
通过两种方法的比较可以看出 : 方案 B 顺序开采 后地表移动和变形各参数的最大值都比方案一跳采后 地表移动和变形各参数的最大值都大 。主要是采用间 隔采开采 24607 工作面开采以后 ,下一个开采工作面为 24611 工作面 ,24609 工作面跳过不采 。类似于大采宽 条带开采 。
表变形值的叠加 ,可能加重地表建筑物的损害程度 。两
种方法的模拟结果如图 3 、图 4 和图 5 。
4. 1 两种方法预测的下沉曲线
图 3 两种开采方法的下沉曲线图 A - 跳采时地表下沉曲线 ;B - 顺序开采时地表下沉曲线
图 4 顺序开采垂直应力等值线图 (单位 :M Pa)
图 5 跳采垂直应力等值线图 (单位 :M Pa)
增加 ,采空区冒落矸石逐步被压实 ,强度逐步提高 ,可近 似地用弹性支撑体表述 。模拟中采用改变垮落带力学 参数的办法 。矸石的密度ρ、弹性模量 E 和泊松比μ都
2008 年第 4 期 西部探矿工程 1 05
随时间 t 而增加 ,可由下列经验公式表述[6] :
莫尔一库仑屈服准则 :
f S = (σ1 - σ3 ) - 2cco sφ- (σ1 +σ3 ) sinφ
(1)
式中 :σ1 、σ3 ———最大和最小主应力 ;
c 、φ———表土的粘结力和摩擦角 ;当 fS < 0 时 ,表土
将发生剪切破坏 。
厚度 岩层
( m) 表土 20 沙粘土 20
表1 E ( GPa) 0. 03 0. 05
表 3 两个方法开采后地表移动和变形各参数的最大值
方 下沉 水平移动 水平变形ε 曲率
倾斜 i
案 ( W/ mm) (μ/ mm) (mm/ m) ( Kmm/ m2 ) (mm/ m)
A 545. 5 B 950. 2
141. 81 247. 05
1. 135 1. 976
0. 023 0. 040
序开采的优点是开采后能够抵消 24607 工作面开采形
成的一部分拉伸变形 ,从而减小对民房的损害 ,缺点是
可能形成新的拉伸变形区 ,同时由于开采面积的增大 ,
会继续增大地表下沉值 。间隔开采的优点是它类似于
大采宽条带开采 。能够在一定程度上减少地表下沉值 ,
缺点是会在 24607 工作面和 24611 工作面之间造成地
(1) 表土层物理力学参数 表土层是塑性较强的弹塑性地质材料 ,在材料达到 屈服极限后 ,可产生较大的塑性流动本研究对表土采用
(2) 岩石与煤物理力学参数 根据大量岩石力学实验证实 ,岩石破坏后强度有所
降低 ,产生弱化 ,这是莫尔 —库仑准则所不能反映的 ,故 本文对岩石与煤采用虎克 —布朗 ( Hock —brown) 强度 准则 :
摘 要 :开采建筑物下的煤炭资源可以缓解矿区采掘接替紧张的矛盾 ,延长矿井服务年限 ;同时要求 最大限度地减小地下开采对地表建筑物损害 。以新生煤矿伍家冲矿井为研究对象 ,运用 FL AC 数值 模拟软件进行工作面开采对地表移动和变形的预测 ,并与现场实测数据对比 。研究表明 ,预测与实测 数据耦合性好 ;间隔开采是保护地面建筑物的最佳开采方法 。 关键词 :建筑物下采煤 ;地表沉陷 ;破坏等级 ;间隔开采 中图分类号 : TD325 文献标识码 :B 文章编号 :1004 —5716 (2008) 04 —0103 —04
则岩石中的应力主要由上覆岩石的重量引起 ,垂直应力
和水平应力可以分别由下式求得 :
σz = r H
(6)
σX
Biblioteka Baidu
=σY
=
μ 1 - μr
H
(7)
式中 :γ———上覆岩石的重力密度 ;
H ———单元立方体所在的深度 ; μ———岩石的泊松比 。
4 数值模拟结果分析
顺序式开采和跳采式方式两种方法各有利弊 。顺
学参数 。
表 2 岩石与煤物理力学参数
厚度 岩层
E
(m) ( GPa)
粉砂岩 60 2. . 37
硅质泥岩 54 6. 5
粉砂岩 50 3. 06
细砂岩 30 8. 4
砂质泥岩 30 6. 5
粉砂岩 50 8. 05
煤21
细砂岩 40 12. 5
υ
0. 21 0. 28 0. 22 0. 17 0. 25 0. 18 0. 36 0. 22
σ1s =σ3 + mσcσ3 + sσ2c
(2)
式中 :σ1s ———在岩石峰值强度时的最大主应力 ;
σ3 ———最小主应力 ;
m ,s ———材料常数 ,取决于岩石性质和原始破裂状
况;
σc ———岩石单轴抗压强度 。
此外 ,当拉应力超过材料的抗拉强度时 ,材料将发
生拉破坏 。表 2 给出了试验测试的岩石和煤的物理力
矿井开采沉陷对环境造成很大的影响 ,其主要表现 为 :地表耕地受到破坏 ;干旱山区地表水系受到破坏 ;平 原地区大片地表移动形成盆地面积水 ;受采动影响的山 地产生滑坡 ,危及工业及民用建筑物和生活生产设施的 安全[3 - 4] ;道路塌陷 、房屋变形破坏等 。报据调查测算 , 井下开采每万吨原煤造成的土地塌陷在 0. 03 ～ 053 hm2 ,平均为 0. 13～0. 20hm2 。按我国原煤产量推算 , 每年仅采煤行业导致的土地塌陷即达 2. 67 ×104 hm2 。 据不完全统计 ,我国因采矿业造成的地面塌陷面积已达 (33. 33 ～ 40. 00) ×104 hm2 , 其 中 耕 地 为 8. 67 ×104 hm2[5 ] 。
(1) 对矿岩性质的假设 。假设矿岩为各向同性 、均 质且符合摩尔 - 库仑弹塑性模型的介质 。
(2) 对计算模型的假设 。对地下开采来说 ,地下矿 山开采是一个空间问题 ,应采用三维空间计算模型更为
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2008 年第 4 期 西部探矿工程 1 03
建筑物下采煤的地表沉陷预测
谢东海1 ,冯 涛1、3 ,袁 坚2 ,黄存捍3 ,刘金海1
(1. 湖南科技大学能源与安全工程学院 ,湖南 湘潭 411201 ; 2. 湖南省第一工业设计研究院 ,湖南 长沙 410011 ; 3. 中南大学资源与安全工程学院 ,湖南 长沙 410083)
边界条件按剖面所处位置的应力条件以及按照开
采沉陷的原理确定 。边界条件为 :水平方向上左右两侧
取水平位移约束边界 (即 ux = 0) ,下边界取垂直位移约
束边界 (垂直位移 uy = 0) ,上边界 (地表) 为自由边界 。
由于研究区域范围不大 ,可以认为研究区域处于均
匀分布的应力场中 ,并且认为岩石中不存在构造应力 ,
本次研究以伍家冲矿 24 采区为例 ,应用 FL AC 软 件进行数值模拟 ,模拟地下开采引起的岩层破坏和地表 移动的过程 ,分析不同开采方法的移动角 ,并最终得出 地表下沉曲线模型 。 3. 1 基本假设
在数值模拟过程中 ,为了使计算结果比较接近实际 情况 ,对岩体介质性质 、计算模型 、矿山地质条件 、受力 条件 、采矿工艺及采矿方法等都作了必要的假设 。
此次模拟采用二维模拟 ,并考虑了计算机的计算精 度和计算速度问题 ,所以网格数采用 6600 个 。网格密 度的划分应视研究的内容和重点进行 。开采范围内的 矿体以及围岩处网格划分的比较密集 ,其它部分的网格 划分比较大 。 3. 4 矿岩物理力学参数选取
在本次模拟过程中 ,力学模型选为线弹性模型 ,依 据分析需要将整个模型划分为三种材料即 : M1 表土 层 、M2 煤岩层 ,M3 冒落矸石 。其参数如下 :
合理 。但一般来说 ,在同等条件下 ,二维数值模拟结果 与三维数值模拟的计算结果比较接近 。因此 ,计算模型 简化为二维平面模型 。
(3) 采区结构的简化 。为模拟方便 ,对巷道工程 、每 一工作面的开采量等不予考虑 ,模拟时简化为实体 。工 作面的倾斜长度为 100m ,走向长度为 300m 。工作面的 开采分顺序式开采 (图 1) 和间隔式开采 (图 2) 两种方 法。
1 概述 煤炭是当今主要的能源 。随着社会的发展和生产
技术的进步 ,人们对能源的需求量越来越大 。煤炭从地 下采出后 ,其上方覆盖岩层失去支撑 ,岩体内部的原有 应力平衡状态受到破坏 ,引起岩体内应力的重新分布 , 使采空区周围的岩体产生位移 、变形直至破坏 。当采空 区面积达到一定的范围后 ,引起采空区上方地表产生移 动与变形 。地表的移动与变形影响建筑物的基础 ,导致 建筑物出现移动和变形 ,甚至出现破坏现象[1 - 2] 。