“三软”煤层采动底的板变形破坏的数值分析.pdf

“三软”煤层采动底板变形破坏的数值分析1 朱术云，鞠远江 中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州（221116 ） E-mail: shyzhuqiao@163.com 摘 要： 通过数值模拟系统研究了矿山压力作用下郑州矿区“三软”煤层底板采动变形破坏 的深度及其受岩层组合结构控制的变化规律。提出了在正常采动情况下软顶、厚的软煤和软 底的“三软”煤层底板变形仅发生在一定浅部范围内，厚的软煤和软底对应力和变形的传播具 有一定的缓冲作用，揭示了中段灰岩组对应力分布和变形破坏的重要控制作用。为豫西煤炭 资源向深部开采所引起的底板水防治提供了部分力学参考的依据。 关键词： 矿山压力；“三软”煤层；采动底板；应力分布；变形破坏；数值分析 中图分类号： TD323 1. 引言 从力学的角度来看，采矿过程引起一系列围岩应力的动态平衡，是围岩应力场的一个动 态平衡过程[1-2] 。而这种过程的变化是复杂的，受多种因素的制约，用其它方法不是很好能 解决的，而在数值模拟中这些影响因素基本都能得到很好的实现[3-4] 。如果能从宏观上把握 岩体的力学特性，通过地应力测试把握地应力场，数值力学分析的结果完全可以用于指导工 程实践[5－7] 。由于有限元法从岩体的本构关系入手，根据屈服准则、流动法则及利用时间步 来获得煤层动态开采中底板岩体应力、应变和变形破坏规律，从而可模拟出底板岩体采动变 形破坏的影响范围[8－9] 。本次研究采用有限元程序，借助计算机编程对郑煤集团超化煤矿 22061 工作面二1 煤层底板岩体采动变形进行数值模拟和计算分析，并利用该面的现场实测 资料对其结果进行了验证。 2. 力学分析模型的前处理 （1）模型的建立 所选用的本构模型和破坏准则既能反映所研究问题的本质，又能很好地反映岩体材料本 身的物理力学状态，本次数值计算选择了 Mohr-Coulomb 材料模型。根据郑煤集团超化矿 22061 工作面顶、底板综合柱状图和该面相关地质资料，可概化得到本次数值模拟的完整底 板情况下工程地质平面分析模型（图1），具体对应岩层见图2 。 1 本课题得到教育部高校博士点基金（新教师基金）项目（编号：20070290528 ）的资助。 - 1 - P 图1 完整底板工程地质平面分析模型 （2 ）计算参数的选择 根据郑州矿区地质资料及岩芯的物理力学性质指标测试结果，并根据相关文献[10-12] 中的 公式做相应折减，具体结果见表1。 表1 计算模型中的岩体物理力学参数 ρ 0 C σc σt 岩性 E （MPa ） µ 3 φ （） RQD （kg/m ） （MPa ） （MPa ） （MPa ） 1 大占砂岩组 15600 0.20 2650 41 10.70 32.53 4.21 62 2 顶板泥岩组 2700 0.23 2580 40 8.13 16.82 1.80 43 3 二1 煤 1500 0.38 1300 20 1.20 3.86