广西合山煤田浅埋煤层采空区塌陷机理数值分析-中国矿业114网 
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广西合山煤田浅埋煤层采空区塌陷机理数值分析
2014-03-27
针对广西合山煤田煤炭资源的枯竭,煤层开采引发的地面塌陷日益增多,地质灾害问题突出的现状, 以煤田上塘矿区中南部的4个浅埋采空区为研究对象,在野外调查的基础上,利用离散元法建立三维数值模型,进 行采空区顶板和地表的变形与应力分析,探讨了采空塌陷机理模式。分析结果表明:①采空区规模直接决定了地 表变形程度,表土层厚度的影响作用是双向的;②地表水平移动极大值向下山方向偏移,下山方向顶板覆岩更易断 裂和垮落;③采空区上覆岩层发育“两带”,主要破坏形式为拉张破坏和剪切破坏;④浅埋采空塌陷的形成可归纳为 开始、发展、贯通和稳定4个阶段,不同阶段均有典型的变形和受力表征。
Series No 453ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ Marchꢀ 2014 !ꢀ ꢀ "ꢀ ꢀ #ꢀ ꢀ $ 20%14&(4&533'' ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ METAL MINE XYZ[\]^_\J?`abcdefghi 1 2 3 JKL , EF ꢀ GHI ꢀ ( 1 )*2345( ÃÄ) 23ÅÆꢀ¡;, Ç0 ÃÄ 430074; 2 )*2345( ÃÄ) ,:5;, Ç0 ÃÄ 430074; 3 )ÈÉÊfg;( Ç0) hi±²jk, Ç0 ÃÄ 430071) ) ꢀ *ꢀ «OPgö°o×oû56<_`, oçüˆÔ=<”~[hÝÁÚ, ”ÉßÖ±²Éu<gh, b o×^Øð}#e­< 4 §E2ˆ£}7ÒÓOÕ, NÙ¦Ž™<\]^, #SLúÂӑjU·gº–Ž, VWˆ }„CH”B<ÅC­Ršay, Ç*8ˆ£~[XƖ\。 ay¾ýBb: ①ˆ£}&–º‘\~8”BÅC £ + ›, Bû禛<ÊËPS½Ú<; ②”Biꢀæc—ºp°•Šꢀ, p°•„CÜ/?ù‹ëH© t; ③ˆ£}^Ü/ç=ý“ i9” , ÄYîïC\7ÍÁîïH®Èîï; ④E2ˆ£~[<C_ªÁÒ7üÑ、 = > 、 7³H}~ 4 §¹º, Œ(¹ºK,1Ž<ÅCHǚBa。 + ,-ꢀ ËÌ͉ꢀ BÎÏÐꢀ ÑÒÓºꢀ ’ÔՌ ꢀ ꢀ ./012ꢀ TD327ꢀ ꢀ ꢀ 34567ꢀ Aꢀ ꢀ ꢀ 3892ꢀ 10011250( 2014) 0302605 Numerical Analysis on the Mechanism of Mining Collapse in Shallow Seam of Heshan Coal Field, Guangxi 1 2 3 Li Yuanyao ꢀ Tang Zhaohui ꢀ Chen Renquan ( 1.2Institute of Geological Survey, China University of Geosciences( Wuhan) , Wuhan 430074, China; . Faculty of Engineering, China University of Geosciences( Wuhan) , Wuhan 430074, China; 3 . Central Southern Geotechnical Design Institute( Hubei) Co. , Ltd. , Wuhan 430071, China) www.ky114.cn Abstractꢀ In view of depletion of coal resources, the increase of ground subsidence caused by mining and geological dis asters up in Guangxi Heshan Coal Seam, four shallow goafs in southcentral part of Shangtang Mine are listed as research object to analyze the deformation and stress of roof and surface in minedout area by building the threedimensional numerical model with discrete element method, based on field investigation. The mechanism model of mining subsidence is discussed. The re sults show that: ①The goaf scale directly determines the degree of surface deformation, and the influence of surface soil's thickness is double acting; ② Maximum of horizontal surface movement shift to downhill, and roof rock at downhill more easily results in breakage and caving; ③ " two zones" have developed at the goaf overburden, and its main failure mode are tensile failure and shear failure; ④The formation of shallow mining collapse is summarized as four stages: beginning, development, perforation and stable. Each stage has its typical characterization of deformation and stress. Keywordsꢀ Shallow seam, Mining collapse, Discrete Element Method, Failure mechanism ꢀ ꢀ _`oûÐ:Êè¸ 36 6 d t, 7`ó”•<‘ C„coÅCîï´+½E\。 "©[ 8] ˆS”† ÆÇ0Ý8ˆ£}^Ü/ç<šÁPSXÆHîï de, +#ScéîïÆÇay^Ü/ç}~2, Ç *”B~[XÆ。 (ô, RSgº–`µ¶ÒÓ~[ XƳ½.Íaetˆ: "©[ 9] O{Þzáð~[ }VW8gº–`ay, ³´–`a+9u8~[} <j-´l; "©[ 10] àS FLAC3D gºayÓ, O 4 ،(C„01ˆ£}nªp<”BÅCH/ꢀ& â=>Û~8ËY\]。 N(ô, —&–<”poç üˆC_8—Aˆ£}, =_<”Épv±²³h ÝÉu。 o#, ˆ£~[åÊËÄÅP、 É=2, É Öc—[ 14] 。 ·ÐÅ, ˆˆ£~[ßÖ<Ü=, ˆ£ ~ [X Æ Ò Ó è Ô - * + ƒ c Á ¶ ƒ < P Q E ²[ 57] 。 Nˆ£~[XÆÒÓ#, ˆ£}^Ü/À<¾ ! œ % "#$ꢀ 20131201 ꢀ”ꢀ `“N‡ÃÁ\à<Ì( TT: 41202247) , #’(Ò=ÓÔÐÙ,\à<Ì( TT: CUGL110203) 。 &'(ꢀ غÕ( 1978— ) , $, ÛX, Ö,。 · 26· ꢀ ꢀ ꢀ Ö×ØL: ÙÚU$ÍÛËÌ͉BÎÜÏÐՌŽvwꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2014 (& 3 ' Œ ¾ ~ ü>8gºÒÓ; "©[ 11] ˆS‹Æ–ŽœM+ ö UDEC –`ay”pü5Å/ÅC, 7ˆ£” [–`KL8Š%<ß4。 m, Ĉo猦› 4 m, oçKÔ¯ 4°, ˆÄ:E 82 m( + 18 m i) , :Ä 117 m。 ¦§‹zI„C <çüRHûÆȏPS _.Ǟæ’<ûƐ , Ja¾ý, QôûÆî›7 20 m/ n。 ` ¥¦Á׳´PQÒÓ, ô98[ÚÍF2< ÒÓ_ý。 N½, E2o爣}<”Ɂ‚­_` •”}Ĉo׈£~[,ˆ~}ç, ,EoC_ XÆ<ÒÓM×。 7(, )ÒÓbö°o×^Øð} §E2o爣}7ÒÓOÕ, NÙ¦Ž™<\] , #SLúÂӑjU·gºay–Ž, ü>ˆ£ „CH”B<ÅC­Ršay, Ç*ˆ£~[C_ XÆ。 ÒÓ¾ýO†ˆ£~[ßÖÛOH}ø,¬ P],œñ¬º, Oã$HK(ˆ£~[XÆÆÇ ß4¤ö。 { 4 ^ } * , 1 ꢀ ?@ݕÙAB ö°o×*NPgö°k, pq7Pg¿Ðo / 1ꢀ -HžÝ 4 IJîKLLMÝ0C Î, ?o”ç}Uk5kA< 75% , ˆ£~[}º Fig 1ꢀ The 4 minedout areas in shallow seam of Shangtang mine 2 ‘ ÊːA¸ 45 km , —Úg~[“#=ý†o× [ 12] 。 g­<E2ÌÔüo爣} ö°oה»_`e•, ài¤á, oç„C7 b/HéÉb/, ^Ü/çbb/、 â/7Ä。 ^Ø ð}é†ö°o×#e­, ½o×¥E2oçĈ } 4 £ , KˆÄd† 150 m, Ĉoç7^"VJö° 2 3 opçH 4 o^ ç, ÌÍ èC_ 1 15 k m <ˆy114.cn w w w . k }。 2ˆ£}º‘„7ã.b/, ^Üb/、 â/ HM¦<÷úûç, N¥¦åÃPSp, ­aÜ/è ugcéǚh„, ·ÐÅÜä=f~[。 }¥ˆ£ A—, §~[&–—, ë¡·~ó}, ÉÖ$a Ë。 # / 2ꢀ 3 LMÝN<OPQ # Fig 2ꢀ Collapse pit in goaf 3 } ž Qô^Øð}e­ 4 §ˆ£}( /l 1) 7Ëe ÒÓOÕ。 2}=nªDOX, ”C-â+›Œ —  ~ , oçKˆÄ 82 m, oçÔ¯ 2° ~ 6°, Ĉoç K¦c 4 m, oçàC2M%, 4 §ˆ£}( 1 25 4 2 3 23) × 10 m , *P'› 100 ~ 160 m。 glŽ # ™ =g, N 3 ˆ£}¥è=ý,M—&–ˆ£~[ / 3ꢀ LMÝFGÂÄ]»íî ¯ ( /l 2) , L:·ü¿¿v'c 100 m。 Fig 3ꢀ Threedimensional numerical calculation model 2 ꢀ CDEFGÂÄ0Ç ① ~ ⑥— /çTT( /B 1) 2  1ꢀ FGÂÄïí ˆ£}—d_.¿^pOel<œñ“”bâ, –Ž¿­HmG‰ƒnª7{~‰ƒ。 a+#¦§ NËRšPS, ˆ£}C_ô¦§³Ñ!, S—d 10 m <U¯€VW€Ÿ3a。 7ü>~Êay, b ÅC:*€ö, ˆˆ£}.-#™ꢁ•b 4 n D粺<:*ꢁ( /l 4) , Un*ꢁ^õì 25 m b 1 §ý*e, 1 n*ꢁ^, 21 §ý*e, gº– ŽG 84 §ý*e, –`¶c<ô·7 100 ·。 ˆ SLúÂÓ( 3DEC) ‘j-U·gº–Ž( ¬ l 3) , VWgºay。 –Ž#/.ÙڈSÆ»° 2–Ž, ꢀÏ MohrCoulomb åꢀꢀÿ, ¾ˆS Coulomb µæ–Ž。 _.^Øð}1Ž”É3H ɘ™5Ú, ³´/ûÀLMg., +d¦”Mº, 6 ” õöe~/ûÀ­¾<‹ÆšÁdg( /B 1、 B 2) 。 U·gº–Ž017 500 m × 500 m × 150 · 27· % & 453 'ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ !ꢀ ꢀ "ꢀ ꢀ #ꢀ ꢀ $ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2014 (& 3 ' W 1ꢀ íîåR·—ÀdÁšÂ N”ÉnªD¼“”p, ˆ£}<&–\~8”BÅ C+›。 ˆ£}Ao—, ”BÅCÄÅDOo—, å7zI„CÂ?<|ꢀ¾( ¬çÆHûƐ) oÚ, |ꢀ¾N^ÜÙ&PS<ÊËp, Šôõ Table 1ꢀ Physicmechanical parameters of rock in model ° 2– úlš ¥ef ꢀ Í ¦ › ¶Ë ρ3 ±÷‰ çT /ꢀ 2 Ê E C ¯ Φ  › h / m / ( kN/ m ) ν / GPa / MPa / ( °) / MPa # ÀÂææ©t, +ÀÂ=>ÊËr”B。 (¦, 4 ˆ ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ Bçû 18 14 19 00 0 02 0 28 23 00 11 00 0 29 0 1 1 0 20 25 38 40 26 40 0 01 0 04 2 50 4 00 1 00 2 30 £ }#^ÜûçDOo^ˆ}?¦, Á–8„CÙ ëâ/ & 。 NNoçˆÄØÊˋ„C‹ëH©tô, B ûço¦ñæØ`0­a~[²ºÅC<ÊË, ûç oy, ”Bp@o¶ùBguÎK+2HΨ„2 /l 6) , Ïæ78”BC_~[。 šb”Bûç¦ Oˆ£~[<ÊËPS½Ú<, R_.„Cǚ ‹ëô<céh„¬‹½è–€”B~[<C_。 ëÉb/ 20 ã.b/ 26 24 50 20 00 0 25 10 0 27 50 25 00 0 30 20 0 oç 4 14 00 10 00 0 36 2 0 ( b/ 68 26 00 23 00 0 26 15 0 › W 2ꢀ íî˜ÞS—ÀdÁšÂ Table 2ꢀ Physicmechanical parameters of structural plane in model ȏћ ӏћ úlš ¥ef¯ ꢀ͐› Ks / GPa 1 00 Kn / GPa C / MPa Φ/ ( °) / MPa 1 00 1 00 30 0 10 / 5ꢀ LMݕW[Y’õN\/ Fig 5ꢀ Vertical displacement nephogram of goaf surface www.ky114.cn / 6ꢀ £¤LMݕW’õN©ª Fig 6ꢀ Vertical displacement curve of goaf surface / 4ꢀ TUVŒWCû ◆ — *ꢀ 1( Z ) ; ■ — *ꢀ 2( Z ) ; △— *ꢀ 3( Z ) ; ● — *ꢀ 4( Z ) Fig 4ꢀ The simulation monitoring network layout 2  3ꢀ •W­Ð]^0Ç 2  2ꢀ •WXYZ0Ç l 7 ~ l 8 <–`¾ýÕC, N 4 §ˆ£}#, ” B²ºÅC½oçüˆu, Ü/éꢀËp^ # ” BiéꢀÊ:—<½ 4 ˆ£}*e 2 - 17, ˆ^ À·=>‹”B<¾ý。 Nˆ£}<”BÅC#, ² ° •( - x •) <éꢀʪ¸ 0 372 m。 éꢀÊ ºp@ÅCÉÖ:—。 l 5 ~ l 6 <–`¾ýÕC, # # # cº#:d<½ ˆ£}*e 2 1 - 17, éꢀÊ'7 1 ˆ£}:—p@Êc 0 601 m, 2 ˆ£}:—p@ # # 0 034 m。 Bbˆ£}ÄÅo—, Ô-<”BiÅ Co—。 N(ˆˆ£}, ”Bꢀ敏K,ˆ~<O Êc 0 159 m, 3 ˆ£}:—p@Êc 0 359 m, 4 ˆ £ }:—p@Êc 1 310 m。 N(ˆ~[}, ^°H ¼ 2, šbN”ÉHˆðnªD¼“”p, Nԏ3 ^”Bꢀæ¹ꢀ\)O¼。 iꢀæ¹ꢀK,¨ p°•@[¹ꢀŒO¼, :—p@Êep°•  Š ꢀ, ˆ£}<ÊËÄŊtçp°•£>。 •H÷• 2 §cº, ˆ}Ao—ÿcºo—, # ˆ £}A:—< 4 ˆ£}”B²ºÅC: cºeççp°•Šꢀ。 NO†§ˆ£}, o çp°•<iꢀæcº‰^°•<cºYd。 # # — , 1 ˆ£}<~[p@ʗ†Ad< 3 ˆ£}H 2# ˆ£}, 2 ˆ£}<K¯ºéꢀÊ:d。 RBb # · 28· ꢀ ꢀ ꢀ Ö×ØL: ÙÚU$ÍÛËÌ͉BÎÜÏÐՌŽvwꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2014 (& 3 ' / 7ꢀ LMݕW­Ð_]N\/ Fig 7ꢀ Horizontal displacement nephogram of goaf surface / 9ꢀ LMݕW -18 m ’õN\/ Fig 9ꢀ Vertical displacement nephogram of goaf surface 18 m gÕ, “©t9Hë99, oç2ÄME»ug,@ 9 <gÕM×。 ) }º‘„C7zINûÆM=ý<ã.b/ ç, º‘„©tÔ-^Ü/çë9˜€£—, ÊËr BC_~[, BguŒàCÅC<da。 ,ôN© ” t9Hë99tõ$ò\C_LçgÕ, LçN×à PSpªØ$˜€~[。 ˆ£}C_tu, „Cǯ º•ÍRšPS, Éæug,@›rLç, „C¿ / 8ꢀ £¤LM•W­Ð_]N©ª Fig 8ꢀ Horizontal displacement curve of goaf surface ◆ — *ꢀ 1( X ) ; ■ — *ꢀ 2( X ) ; — *ꢀ 4( Y ) ­ ªØugÍëæ©t, ®Rš_Rš!½C „, Rš½êꢀ˄C#­i·£>, Ni·oC #Bg( /l 10) 。 å(, E2ˆ£}”B~[C <:ÄYîïC\½ÍÁîïH®Èîï。 △ — *ꢀ 3( Y ) ; ● # Ï3^, 4 ˆ£}<„C–‹ë, ”BÅC €, ÅsºM—, |:Y78r”BC_~[, Bb Biꢀæ—dH€›ªb¬‹”p„C‹ë< ›H›。 ϐ^ay, SE70° 7oçԏ• , Np°•iꢀæí›M—, ugÍëÅC? “ ˜ ” €  _ www.ky114.cn Ú, µp°•<„CÜ/:–‹ëH©t, åæ N<”B~[$ªØ?YugNp°•, 挽 ugNˆ£}#*。 ° 3 ꢀ LMOPé`7a / 10ꢀ LMÝfgh=d\/( Œª 2 iS) 3  1ꢀ •W­Ðbcbc Fig 10ꢀ Maximum shear stress nephogram # N”B + 0 m », ”BiÊËÄÅ:—<½ 4 of the goaf( Line 2 section) ꢀ LMOPjÀík .LúÂU·gº–`¾ý, ö°o×E2Ì # ˆ £}, p@Ê:d< 2 ˆ£}, o”BiÊËÄ 4 # ų:d( /l 5) 。 4 ˆ£}iÊËÄŗ, ½é _ ‹ p°•Mº}U, o^~[}'ÐÊ˝ˆ ÄÅ。 N”B - 18 m », {½ˆ£} 4 <ÊËÄ Å:—( /l 9) , (ZÊˋp°•Mº}U。 ( ô, Œ(ˆ£}<„Cp@$DçÊË, 8‡ˆ}o ,ˆ~ÍìPS, N„C©tÔ-<~[$ÊËr }, ŠhüˆÄ›Á–, „C©tÊË<”Bi ÄÅ|ÀÂÈd。  2ꢀ dìXYé`Ee £}ˆL–½„C~t, ^Ü/çuÀÂC_ ë9, +=>r^Üûç, µ”Bp@; (ô, ,ô Ôüo爣}~[<C_´+7Ž7 4 §¹º: ü ѹº、 =>¹º、 7³¹ºH}~¹º。 4 §¹º açƒNŒ(</ûÀÅCdaHǚde, Bgu ­ Œ (<”BÅCChH&–。 1) üѹº: ˆ£}C_, N^ÜÙ&PSp, Cug­ap@, O^Üûç,ˆ~ëæ, ”Bg ± ( ¡ „ ÀugK+、 ̐、 àC<p@ÅC, ND¡ˆ}º‘ DçÊˌ—。 2) =ý¹º: ˆ£}„Cêt9Hë99= ý, Ü/«E\çÀ‹ë©t, Êˋ„Cˆ~( , ^p/çtõDçaL, C_Lç; (ôzIND Oãg„CÄYNjo¿­ÍRšPS, ugÍë« ÅÀ–L, êt9t^<ë99üÑ=ý。 3 < ˆ ( $ !  ugE\ç„C<ɇ©t, ^Ü/çÒÓC_ ½, º‘È8r”BC_ÈêŽ~[。 b*ꢀ 2 3 7Ž, N²3^, ˆ£}^Ü/ç=ý“ i9” › · 29· % & ' ! 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