巖層與地表移動動態研究范文
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《煤礦開采雜志》2014年第三期
煤礦開采是連續的推進過程，覆巖及地表移動隨著開采空間和時間變化。瞬時開采是假設在某一時間，采出特定區域的全部礦體，即將開采空間看作一常量，地表及覆巖的移動變形僅隨采后時間而變化，不受開采空間的影響。借助數值計算軟件可模擬實際生產中不存在的開采狀況，研究不同開采充分度時，覆巖及地表移動變形與開采破壞傳遞速度的關系。假設采動破壞的傳遞速度與開采的充分程度(寬深比)有關，認為地下煤層開采引起的移動變形傳至地表所需的數值模擬迭代次數為傳遞速度。為了驗證假設的正確性，進行了不同采深不同充分度條件下模型開采引起地表下沉10mm的模擬迭代次數統計實驗。通過表1分析可知，當開采尺寸一定時，采深對迭代次數具有一定的影響，但與開采充分度相比，其影響較小。開采充分度的大小與數值模擬中計算步數成反比，即開采越充分，所需計算步數越少。開采充分度在開采沉陷的數值模擬中，起到了重要的作用。分析上述瞬時開采數值模擬結果，同等程度的地表下沉，開采時步與開采充分程度有很大關系。動態預計模型的建立，需要考慮開采時步與開采充分度及推進速度的關系，從而構建時間與開采尺寸影響的開采時步綜合計算公式。
2動態預計模型建立與驗證分析
2.1動態預計模型建立
模型建立的思想:基于瞬時開采巖層及地表移動的傳遞速度，以一定尺寸的開采距離為開采元，建立單元開采后數值模擬迭代次數與開采充分度、推進速度的關系。在推進過程中，開采充分程度起主要作用，因此建立以開采充分度為主，推進速度為輔的迭代次數計算公式。
2.2模型驗證分析
2.2.1數值模型建立應用通用離散元數值模擬軟件(UDEC)，模型建立尺寸為4200m×750m。表2為模型的物理力學參數。地質采礦條件:采深700m，松散層厚度400m，基巖厚度300m，采厚3m，煤層傾角0°。
2.2.2模擬結果與實測對比分析開采單元距離為20m，工作面推進過程中，每個開采單元的迭代次數采用公式(1)計算，工作面停采后，僅時間因素對迭代次數有影響，因此利用公式(2)計算。圖1為數值模擬預計地表動態下沉曲線，圖2為地表動態預計水平移動曲線。通過對比分析，數值模擬結果與實測數據比較吻合。
3推進速度及巖性對模擬結果的影響
3.1推進速度影響分析
3.1.1地表動態移動變形規律工作面推進過程中，引起上覆巖層的移動變形隨時間變化，推進速度的大小，直接影響巖層移動傳遞的時間。按照開采單元尺寸100m計算，通過分析勻速推進2m/d，10m/d地表動態下沉曲線(見圖3(a)和圖3(b))可知，隨著推進速度的增大，相同的開采空間，地表移動變形呈變小趨勢，巖層的移動時間較少，地表下沉不充分。開采速度較小時，巖層移動時間較長，其地表下沉較為充分。工作面的推進速度對地表動態水平移動(見圖3(c)和圖3(d))具有與下沉相似的規律，即水平移動量與推進速度成反比。
3.1.2巖層動態移動變形規律低速推進時，整個開采過程具有充足的時間圖4(a)和圖4(b)分別為堅硬巖性和軟弱巖性地表動態下沉曲線。硬巖條件下，非充分階段下沉較小，充分及超充分階段形成整體幅度下沉，當巖性偏軟時，地表下沉盆地整體較為充分，下沉幅度明顯大于巖性偏硬模型。圖4(c)和圖4(d)分別為堅硬巖性和軟弱巖性地表動態水平移動曲線，巖性偏硬時，地表水平移動減小，巖性較軟時，地表水平移動增加。
3.1.3巖層動態移動變形規律軟巖條件下，覆巖豎向移動具有與低速推進相似的現象，豎向位移傳遞速度快;硬巖條件下，累計開采空間區域較大，造成上覆巖層整體移動。軟巖條件下，采空區上方的覆巖垮落較快，應力分布集中，而硬巖條件，采空區易累計形成較大的區域，上覆巖層整體性較強，應力分布均勻。
4結論
(1)應用數值模擬軟件UDEC，將開采充分性指標和推進速度指標引入單元開采所需計算迭代次數，提出了基于開采充分程度及推進速度的動態模擬算法。(2)根據數值模擬結果可知，推進速度和巖性對地表移動變形大小及分布形態均具有顯著響。推進速度較小或覆巖巖性較軟時，地表容易達到靜態移動變形最大值，反之則不易達到。(3)數值計算分析表明，推進速度較快或巖性較硬時，采空區上覆巖層塊體跨度較大，應力分布均勻，覆巖整體移動性較強;而當推進速度較慢或巖性較軟時，地表下沉整體較為充分，下沉幅度大于巖性偏硬模型。
作者：劉吉波廉旭剛戴華陽楊國柱劉杰單位：中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院
