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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 北京大学学报自然科学版 , 口 , 第卷 , 第期 , 年 , 冲 煤层开挖过程中底板突水的 弹塑性有限元模拟及初步分析 邓中策 中国地质科学院岩石圈研究中心 蔡永恩 北京大学地质学系 王成绪 中国煤炭研究总院西安地 质勘察分院 摘要 本文在总结分析我国华北一些煤矿底板突水的现象和普遍规律的基础上 , 运用弹塑性有 限元方法模拟了河南焦作九里山煤矿某采区实际开采过程中完整底板内注水区对应于塑性 变形的岩石范围 和某深度处岩石的变
2、形以及它们的变化 , 模拟计算结果与实测资料基本吻 合 , 初步分析还可得出一些有关采动过程中底板突水规律的认识 。 关健词底板突水注水区弹塑性有限元分析 引论 底板突水是许多煤田的煤层开采受到地下水构成的严重危害 。 笔者在调查 、 分析和综合 研究的基础上 , 归纳出以下几个底板突水的主要影响因素 一 底板结构及其完整性 、 开采深度 和开采方式 、 开采矿压和底部承压水水压等 , 它们各自有特定的作用方式和作用范围 , 互相 之间存在一定的影响 。 随着煤田水文地质等工作的深人 , 人们已广泛地探讨和研究底板突水的力学机制 , 逐渐 引人力学有限元方法来模拟这一多因素影响的复杂问题 。
3、这方面工作在国内较早是高航等 ” 利用线弹性程序计算模拟的开挖对底板突水的影响最近 , 陈刚 奋利 用弹塑性有限元方法计 算模拟了煤层开挖和底部承压水作用下底板内变形和突水等间题 。 笔者依据焦作九里山煤矿的岩性地层和一定采区的实际开采过程进行弹塑性力学有限元 模拟分析 , 得出了完整底板上开挖和回填的动态过程中底板变形等的计算结果 。 著 虑到岩石受力破坏特征 , 一 及煤层开采的动态特点 抽, 计算过程选用了北京大学张 宏等编制的弹塑性包括硬化和软化材料模型有限元分析的程序 ”。 模拟计算有如下几个特点 寮 陈刚 , 底板突水的有限元分析硕士论文 , 中国煤炭研究总院北京开采研究所 , 本
4、文 。年 月日收到 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 北京大学学报 第卷 反映了开挖和落顶回填的动态过程 , 即随 着开采面向前推进 , 先开挖上部分煤 层 , 再开挖下部分煤层并放顶的回采采动过程 。 选择实际煤矿与开采过程进行计算模拟 , 并与实际观测资料进行对比 。 结合岩石的弹塑性力学参数给出了一定地层结构及水力学环境中煤层开采造成的 底板内可能突水的岩石区域对应子塑 性区 , 据此可以定量或半定量地判定突水的可能 性 。 所选煤矿的含煤地层在华北有一定代
5、表性 , 因 此模拟计算结果也具有较普遍意 义 。 有限元儿何模型的建立 河南焦作九里山矿区地质构造比较简单 , 地层基本为向南倾的单斜构造 , 倾角约为 “, 长壁式采掘的采空区相当于一个约的 斜置长方体 , 且长轴平行于倾斜方向 。 因此 , 有理由选取平行于开采方向 一 即煤层走向的 直立剖面进行二维的平面应变计算模拟 , 结果 表明这与实际情况基本相符 。 本文所模拟的焦作九里山矿区的简化地层 略去薄夹层柱状图如图所示 , 该矿区对 大煤煤层开采有直接影响的是石炭系 中较厚的 石灰岩层 在焦作煤田称之为八灰 , 它靠近 煤层并与底部寒武奥陶纪巨厚的石灰岩含水层 有密切的水力联系 , 故
6、为该矿区底板突水的最 主要承压含水层 , 可以认为它作用于开采煤层 的底板而导致可能的突水 。 华北地区许多煤田 都有与上述类似的地层结构及水力环境 , 故该 矿区底板突水的研究在华北有一定的代表性 。 这里所模拟的回采采动过程如图所示 , 随着开采面向前推进 , 先开挖煤层上部约 厚的煤 , 然后开挖其下约厚的煤 , 同时放 落直接顶顶板岩石 , 并保持采长为巧 。 模型 中将直接顶顶板取作紧邻于煤层之上厚约 的砂页岩层 , 放顶后其碎块充填于整个落顶 区 , 其上的砂岩等岩层仍视为连续变形体 。 一 今 下扛一丁丁 圈圈峨 峨 卜卜一一一一一 一 呀呀 阵阵 卜卜一一一一一 一一 吸吸护
7、,气 一一 一一 一一 二 几一一 忍忍 二 斗斗 月月 一 呼 习一 一 已已 一一 、亡 卜卜 弓浮全毛 毛 卜卜 一一一一 图焦作九里山矿区简化地质柱状图 图为本文模拟计算的有限元网格 , 它代表实际长 , 高的直立走向剖面 , 共计个节点 , 个单元 。 模型中根据实际岩性分层并划分单元网格 , 在煤层附近尤其 是下部加密网格 。 采空区为长 , 高 , , 的长方形空间 , 它随着开采面的推进而整 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第期 煤层开挖过程中底
8、版突水的弹塑性有限元模拟及初步分析 图煤层开挖过程示意图 一一 黔辫州 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 比比比例尺 七当匕乙 一 采空区 , 箭头所指为开采方向 , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , 、 分别为测点所在位置的副巷的顶底板板板板板板板板板板板板板板板板板板板板板板板板板板板板板板板板板板板板板板板板
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13、 一爪爪, ,【一州州卜州 州广, ,甲甲【一 一广州 州一 广州 州广州 州户州州州州州州 日日日日日日厂厂厂厂 厂厂厂厂日日日日日日日日日日日日日 厂厂厂厂厂厂 日日日日厂厂 厂厂 日日 厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂 图煤层开挖过程的有限元模拟网格图 体前移 , 后面的空间和底部煤层的采后空间同时为落顶的砂页岩充填 。 我们在煤层底板内某 深度布置了测点 , 测点处副巷的顶底板相 当于图中的 、 两点 , 整个观测记录过程中升 采面推进了 。 当每步设计采面推进大于 时 , 计算结果不收敛并在一些点上出现奇 异的应力值这里设计每步采面推 进 , 计算结果收敛并得出合理的应力与变形分布 ,
14、 模拟计算了步 , 相当于采面推进了 。 结果表明 , 从第步起至第步 , 每步都有稳定 的近乎相同的应力和位移等的分布与变化 。 这里只考虑第三纪 、 第四纪松散覆盖层对下部的垂向作用力 , 模型最下部取至含水的 , 气灰 ” 岩层及其下的 砂页岩层 。 模型的边界条件确定为顶部边界受向下的垂向荷载并在 水平方向无约束 , 两侧边界受水平方向固定约束而在垂直方向无约束 , 底边界受双向固定约 束 , 向前推进的采空区每步的四壁都为双向无约束的自由边界 。一 模型 中还将,又灰 ” 含水层中水压考虑为渗透孔隙压加在其上的岩层中 , 孔隙压值向上 按一定规律逐渐减小并在某一高度与围岩的孔隙水压值
15、相等 。 九里山矿区 “八灰” 含水层内 水压值为一加斌 , 尽管其水头在煤层之上 , 但 底板完整时 , 承压水的影响高度仅在 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 北京大学学报 第卷 “九灰” 岩层及其下的页岩层中 。 岩石 的变形破坏与突水的关系 岩石的受力变形和破坏是研究底板突水的出发点 , 迄今却尚无公认的指标可以表达它们 与岩石导水性的关系 。 井隆矿的声波侧试和寒 乍水试验 发现注水量的突变并不意味着岩石 的宏观破坏 , 它大体上对应着声波滋试所显示的岩
16、石产生微破裂等不可恢复变形的状态 , 而 岩石的宏观破坏仅为注水区中靠近煤层的一部分 。 据此作如下推论开抢所产生的岩石微破 裂及破坏是从采空区向周围发展的 , 岩石的注水区对应于可突水的岩石区域为产生了微 破裂等不可恢复变形的范围 , 当它们连通了承压含水层与开采煤层 , 便可以发生突水 。 图 。 为焦作煤田某处砂岩抗剪试验的应力应变关系曲线 , 该区煤及含煤地层中其它岩 石都有类似形状的尽管强度等相差很大应力应变曲线 , 它们都表现出岩石力学中较普遍 的特征 , 即没有明显的屈服点 , 应力应变关系显示出较强的非线性 , 并可划分出塑性硬化和 塑性软化两个阶段 , 岩石力学试验表明上述塑性阶段都对应着岩石内部产生微裂隙等结构 变化的状态 , 这里认为其为可发生突水的岩石变形状态 。 卜产 氏 、 华一 诉 了 “。 。 二二 , 巩口 一 。
