岩层与地表移动动态研究范文

《煤矿开采杂志》2014年第三期

1瞬时开采岩层及地表移动的传递速度

煤矿开采是连续的推进过程，覆岩及地表移动随着开采空间和时间变化。瞬时开采是假设在某一时间，采出特定区域的全部矿体，即将开采空间看作一常量，地表及覆岩的移动变形仅随采后时间而变化，不受开采空间的影响。借助数值计算软件可模拟实际生产中不存在的开采状况，研究不同开采充分度时，覆岩及地表移动变形与开采破坏传递速度的关系。假设采动破坏的传递速度与开采的充分程度(宽深比)有关，认为地下煤层开采引起的移动变形传至地表所需的数值模拟迭代次数为传递速度。为了验证假设的正确性，进行了不同采深不同充分度条件下模型开采引起地表下沉10mm的模拟迭代次数统计实验。通过表1分析可知，当开采尺寸一定时，采深对迭代次数具有一定的影响，但与开采充分度相比，其影响较小。开采充分度的大小与数值模拟中计算步数成反比，即开采越充分，所需计算步数越少。开采充分度在开采沉陷的数值模拟中，起到了重要的作用。分析上述瞬时开采数值模拟结果，同等程度的地表下沉，开采时步与开采充分程度有很大关系。动态预计模型的建立，需要考虑开采时步与开采充分度及推进速度的关系，从而构建时间与开采尺寸影响的开采时步综合计算公式。

2动态预计模型建立与验证分析

2.1动态预计模型建立

模型建立的思想:基于瞬时开采岩层及地表移动的传递速度，以一定尺寸的开采距离为开采元，建立单元开采后数值模拟迭代次数与开采充分度、推进速度的关系。在推进过程中，开采充分程度起主要作用，因此建立以开采充分度为主，推进速度为辅的迭代次数计算公式。

2.2模型验证分析

2.2.1数值模型建立应用通用离散元数值模拟软件(UDEC)，模型建立尺寸为4200m×750m。表2为模型的物理力学参数。地质采矿条件:采深700m，松散层厚度400m，基岩厚度300m，采厚3m，煤层倾角0°。

2.2.2模拟结果与实测对比分析开采单元距离为20m，工作面推进过程中，每个开采单元的迭代次数采用公式(1)计算，工作面停采后，仅时间因素对迭代次数有影响，因此利用公式(2)计算。图1为数值模拟预计地表动态下沉曲线，图2为地表动态预计水平移动曲线。通过对比分析，数值模拟结果与实测数据比较吻合。

3推进速度及岩性对模拟结果的影响

3.1推进速度影响分析

3.1.1地表动态移动变形规律工作面推进过程中，引起上覆岩层的移动变形随时间变化，推进速度的大小，直接影响岩层移动传递的时间。按照开采单元尺寸100m计算，通过分析匀速推进2m/d，10m/d地表动态下沉曲线(见图3(a)和图3(b))可知，随着推进速度的增大，相同的开采空间，地表移动变形呈变小趋势，岩层的移动时间较少，地表下沉不充分。开采速度较小时，岩层移动时间较长，其地表下沉较为充分。工作面的推进速度对地表动态水平移动(见图3(c)和图3(d))具有与下沉相似的规律，即水平移动量与推进速度成反比。

3.1.2岩层动态移动变形规律低速推进时，整个开采过程具有充足的时间图4(a)和图4(b)分别为坚硬岩性和软弱岩性地表动态下沉曲线。硬岩条件下，非充分阶段下沉较小，充分及超充分阶段形成整体幅度下沉，当岩性偏软时，地表下沉盆地整体较为充分，下沉幅度明显大于岩性偏硬模型。图4(c)和图4(d)分别为坚硬岩性和软弱岩性地表动态水平移动曲线，岩性偏硬时，地表水平移动减小，岩性较软时，地表水平移动增加。

3.1.3岩层动态移动变形规律软岩条件下，覆岩竖向移动具有与低速推进相似的现象，竖向位移传递速度快;硬岩条件下，累计开采空间区域较大，造成上覆岩层整体移动。软岩条件下，采空区上方的覆岩垮落较快，应力分布集中，而硬岩条件，采空区易累计形成较大的区域，上覆岩层整体性较强，应力分布均匀。

4结论

(1)应用数值模拟软件UDEC，将开采充分性指标和推进速度指标引入单元开采所需计算迭代次数，提出了基于开采充分程度及推进速度的动态模拟算法。(2)根据数值模拟结果可知，推进速度和岩性对地表移动变形大小及分布形态均具有显著响。推进速度较小或覆岩岩性较软时，地表容易达到静态移动变形最大值，反之则不易达到。(3)数值计算分析表明，推进速度较快或岩性较硬时，采空区上覆岩层块体跨度较大，应力分布均匀，覆岩整体移动性较强;而当推进速度较慢或岩性较软时，地表下沉整体较为充分，下沉幅度大于岩性偏硬模型。

作者：刘吉波廉旭刚戴华阳杨国柱刘杰单位：中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院