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摘 要:运用Geostudio2004软件,对大明矿704工作面开采所引起的地表移动与变形进行模拟,并与实测数据对比分析,证明了Geostudio2004软件模拟地表下沉与水平移动的可行性,从而掌握地表移动与变形的基本规律。
关键词:Geostudio2004; 开采沉陷;数值模拟
中图分类号:TD325文献标识码:A
文章编号:1672-1098(2010)03-0006-03
收稿日期:2010-06-03
资金项目:辽宁省国土资源厅行业基金资助项目(2008-13)。
作者简介:吴盾(1985-),男,安徽合肥人,在读硕士,主要从事矿山测量与环境研究工作。
Numerical Simulation Research on Ground Subsidence of Daming Coal Mine
WU Dun1,2, WANG Lie-ping1, LIU Gui-jian2, WANG Sheng-hui3
(1. School of Earthand Environment , Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China; 2. School of Earth and Space Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei Anhui 230026, China; 3. No.101 Prospecting Team, Bureau of Northeast China Coalfield Geology, Diaobingshan Liaoning 112700, China)
Abstract:Ground movement and deformation caused by mining work of No. 704 working face in Daming Coal Mine was simulated by using software Geostudio2004. By comparison of the simulation results with measured data, the feasibility of ground subsidence and horizontal movement simulation by Geostudio2004 was obtained. Basic regularity of ground movement and deformation was understood primarily.
Key words:Geostudio2004; subsidence; numerical simulation
国内外研究学者采用FLAC3D和UDEC模拟矿山开采引起的地表移动变形,由于这两软件采用命令流方式,实现起来有些不便,且做大变形分析时迭代时间较长。而Geostudio2004组件SIGMA/W(岩土应力变形分析软件)是完全基于土(岩)体本构关系建立的专业有限元软件,能够模拟因地下开挖所引起的地表下沉与水平移动[1]。
1 大明矿704工作面概况
该工作面是-410东翼南首采工作面,走向长1 606 m,倾向长197 m,平均采深495 m(见图1)。区内主采7#煤层,煤层产状:走向129°～165°、倾向219°～255°、倾角4°～9°,厚度1.3～1.8 m。区内煤层呈单斜构造,煤层内含水相对较少。
图1 工作面地表移动观测站平面图
2 建立数值模型
2.1 几何模型
本次模型以工作面走向为X方向, 长度为240 m, 以竖直方向为Y方向,高度为60 m,采用矩形格网模拟各岩层[2](见图2)。
2.2 Elastic-plastic模型及选取岩性参数
在复杂应力状态下,沉积岩体可发生的破坏形式有受损破坏、塑性破坏、弱面剪切破坏和离层破坏,从塑性理论的广义概念出发,上述几种破坏形式都可以理解为“塑性破坏”,可以应用弹塑性力学模型来描述沉积岩体的变形力学特征[3-4]。
d/m
2.3 边界条件及初始应力
模型边界条件如下:
(1) 上部边界条件:自由边界;
(2) 下部边界条件:在X,Y方向均为固定铰支座;
(3) 两侧边界条件:在X方向为固定铰支座,Y方向为自由边界。
初始应力为上覆岩层的自重力,在模拟开挖前,先解算,然后保存解算结果,为下一步开挖做好前提准备。
3 数值模拟结果
走向工作面实际长度1 606 m,共分6次开挖。每开挖一次,上层单元都会充填开挖区,对煤层顶板加边界束缚条件,使得顶板最大下沉不超过4 m,这样在模拟结果中顶板弯曲后就不会与底板重合。通过绘图功能输出开挖第Ⅲ、Ⅵ次后的地表下沉与水平移动曲线和最终开挖后地表下沉云图,通过对实测数据的整理与平差运算,利用Excel和Autocad2007软件绘制出第Ⅲ、Ⅵ次后的地表下沉与水平移动曲线[6](见图3~图5)。
图3 实测、预计下沉曲线对比图4 实测、预计水平移动曲线对比
d/m
由图3可知,当煤层开挖后,上覆岩层将产生向下的移动和弯曲,随着工作面的不断推进,下沉程度不断增加。
数值模拟结果与实测结果对比,可以得出:预计值比实际值偏大,模拟最大下沉值为3.90 m,最大水平移动值为0.78 m;实测最大下沉值为3.40 m,最大水平移动值为0.73 m;两者之间的相对误差分别为15%和7%,可以看出模型建立的准确度和岩性参数的选取是数值建模的关键。
4 结论
通过对大明矿采用Geostudio2004软件模拟煤层开采后引起的地表移动与变形,计算结果表明用数值计算方法进行地表移动变形预计,可以客观的反映采矿引起上覆岩层的移动与弯曲过程,研究得出以下结论:
(1) 大明矿上覆岩层属坚硬岩层,在开采初期,地表沉陷不明显,是由于上覆岩层屈服破坏程度微弱;(2) 随着开采程度的加深,地表下沉越来越大,直接顶的压缩变形也越来越大;
(3) 最大下沉值发生在采空区中部的上方,且偏向于开采前进的一侧,呈不对称的拱形分布,向两侧逐渐减小,整体上服从地表移动与变形的一般规律。
参考文献:
[1] JOHNKRAHN.SIGMAW Engineering Book[M].GEO-SLOPE International Ltd,2004:35-48.
[2] 陈晓祥,谢文兵,魏文政, 等.岩层移动模拟研究中模型范围问题探讨[J].煤炭科学技术, 2006,34(6):73-76.
[3] 许延春,张玉卓.应用离散元法分析采矿引起厚松散层变形的特征[J].煤炭学报,2002,27(3):269-272.
[4] 吴侃, 王悦汉, 邓喀中. 采空区上覆岩层移动破坏动态力学模型的应用[J].中国矿业大学学报,2000,29(1):34-36.
[5] 李敏,胡奎,陈卓求,等.南沱河堤下采煤地表沉陷预测的数值模拟研究[J].安徽理工大学学报:自然科学版,2008,28(2): 7-10.
[6] 何国清,杨伦,凌赓娣,等.矿山开采沉陷学[M].徐州:中国矿业大学出版社,1995:42-103.
(责任编辑:宋晓梅,范 君)
关键词:Geostudio2004; 开采沉陷;数值模拟
中图分类号:TD325文献标识码:A
文章编号:1672-1098(2010)03-0006-03
收稿日期:2010-06-03
资金项目:辽宁省国土资源厅行业基金资助项目(2008-13)。
作者简介:吴盾(1985-),男,安徽合肥人,在读硕士,主要从事矿山测量与环境研究工作。
Numerical Simulation Research on Ground Subsidence of Daming Coal Mine
WU Dun1,2, WANG Lie-ping1, LIU Gui-jian2, WANG Sheng-hui3
(1. School of Earthand Environment , Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China; 2. School of Earth and Space Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei Anhui 230026, China; 3. No.101 Prospecting Team, Bureau of Northeast China Coalfield Geology, Diaobingshan Liaoning 112700, China)
Abstract:Ground movement and deformation caused by mining work of No. 704 working face in Daming Coal Mine was simulated by using software Geostudio2004. By comparison of the simulation results with measured data, the feasibility of ground subsidence and horizontal movement simulation by Geostudio2004 was obtained. Basic regularity of ground movement and deformation was understood primarily.
Key words:Geostudio2004; subsidence; numerical simulation
国内外研究学者采用FLAC3D和UDEC模拟矿山开采引起的地表移动变形,由于这两软件采用命令流方式,实现起来有些不便,且做大变形分析时迭代时间较长。而Geostudio2004组件SIGMA/W(岩土应力变形分析软件)是完全基于土(岩)体本构关系建立的专业有限元软件,能够模拟因地下开挖所引起的地表下沉与水平移动[1]。
1 大明矿704工作面概况
该工作面是-410东翼南首采工作面,走向长1 606 m,倾向长197 m,平均采深495 m(见图1)。区内主采7#煤层,煤层产状:走向129°～165°、倾向219°～255°、倾角4°～9°,厚度1.3～1.8 m。区内煤层呈单斜构造,煤层内含水相对较少。
图1 工作面地表移动观测站平面图
2 建立数值模型
2.1 几何模型
本次模型以工作面走向为X方向, 长度为240 m, 以竖直方向为Y方向,高度为60 m,采用矩形格网模拟各岩层[2](见图2)。
2.2 Elastic-plastic模型及选取岩性参数
在复杂应力状态下,沉积岩体可发生的破坏形式有受损破坏、塑性破坏、弱面剪切破坏和离层破坏,从塑性理论的广义概念出发,上述几种破坏形式都可以理解为“塑性破坏”,可以应用弹塑性力学模型来描述沉积岩体的变形力学特征[3-4]。
d/m
2.3 边界条件及初始应力
模型边界条件如下:
(1) 上部边界条件:自由边界;
(2) 下部边界条件:在X,Y方向均为固定铰支座;
(3) 两侧边界条件:在X方向为固定铰支座,Y方向为自由边界。
初始应力为上覆岩层的自重力,在模拟开挖前,先解算,然后保存解算结果,为下一步开挖做好前提准备。
3 数值模拟结果
走向工作面实际长度1 606 m,共分6次开挖。每开挖一次,上层单元都会充填开挖区,对煤层顶板加边界束缚条件,使得顶板最大下沉不超过4 m,这样在模拟结果中顶板弯曲后就不会与底板重合。通过绘图功能输出开挖第Ⅲ、Ⅵ次后的地表下沉与水平移动曲线和最终开挖后地表下沉云图,通过对实测数据的整理与平差运算,利用Excel和Autocad2007软件绘制出第Ⅲ、Ⅵ次后的地表下沉与水平移动曲线[6](见图3~图5)。
图3 实测、预计下沉曲线对比图4 实测、预计水平移动曲线对比
d/m
由图3可知,当煤层开挖后,上覆岩层将产生向下的移动和弯曲,随着工作面的不断推进,下沉程度不断增加。
数值模拟结果与实测结果对比,可以得出:预计值比实际值偏大,模拟最大下沉值为3.90 m,最大水平移动值为0.78 m;实测最大下沉值为3.40 m,最大水平移动值为0.73 m;两者之间的相对误差分别为15%和7%,可以看出模型建立的准确度和岩性参数的选取是数值建模的关键。
4 结论
通过对大明矿采用Geostudio2004软件模拟煤层开采后引起的地表移动与变形,计算结果表明用数值计算方法进行地表移动变形预计,可以客观的反映采矿引起上覆岩层的移动与弯曲过程,研究得出以下结论:
(1) 大明矿上覆岩层属坚硬岩层,在开采初期,地表沉陷不明显,是由于上覆岩层屈服破坏程度微弱;(2) 随着开采程度的加深,地表下沉越来越大,直接顶的压缩变形也越来越大;
(3) 最大下沉值发生在采空区中部的上方,且偏向于开采前进的一侧,呈不对称的拱形分布,向两侧逐渐减小,整体上服从地表移动与变形的一般规律。
参考文献:
[1] JOHNKRAHN.SIGMAW Engineering Book[M].GEO-SLOPE International Ltd,2004:35-48.
[2] 陈晓祥,谢文兵,魏文政, 等.岩层移动模拟研究中模型范围问题探讨[J].煤炭科学技术, 2006,34(6):73-76.
[3] 许延春,张玉卓.应用离散元法分析采矿引起厚松散层变形的特征[J].煤炭学报,2002,27(3):269-272.
[4] 吴侃, 王悦汉, 邓喀中. 采空区上覆岩层移动破坏动态力学模型的应用[J].中国矿业大学学报,2000,29(1):34-36.
[5] 李敏,胡奎,陈卓求,等.南沱河堤下采煤地表沉陷预测的数值模拟研究[J].安徽理工大学学报:自然科学版,2008,28(2): 7-10.
[6] 何国清,杨伦,凌赓娣,等.矿山开采沉陷学[M].徐州:中国矿业大学出版社,1995:42-103.
(责任编辑:宋晓梅,范 君)