大佛寺煤礦變形及受力特性研究

劉乃飛， 李　寧，2， 張　柱， 楊　敏， 劉小平，3

(1.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所，陜西 西安 710048； 2.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730101；3.中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

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大佛寺煤礦變形及受力特性研究

劉乃飛1， 李寧1，2， 張柱1， 楊敏1， 劉小平1，3

(1.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所，陜西 西安 710048； 2.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730101；3.中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

大佛寺煤礦位于彬長(zhǎng)礦區(qū)開(kāi)采邊界境內(nèi)，地形地質(zhì)條件非常復(fù)雜。本文采用UDEC離散元軟件對(duì)該礦區(qū)煤層開(kāi)采引起的地表變形規(guī)律及圍巖應(yīng)力場(chǎng)的分布特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究結(jié)果表明：①煤層開(kāi)采后地表沉降呈V字形分布，隨著各工作面的相繼開(kāi)采地表沉降變形不斷增大，當(dāng)達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)趨于定值(約為10.0 m)； ②地表由兩側(cè)向采區(qū)方向移動(dòng)，變形曲線呈倒S形，水平移動(dòng)變形最大值約為1.73 m； ③煤層開(kāi)采會(huì)引起圍巖應(yīng)力重分布，且部分區(qū)域存在明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象(40 MPa)，隨著各采區(qū)的相繼開(kāi)采應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)不斷擴(kuò)大，致使頂板巖層出現(xiàn)臨空，引起大部分區(qū)域發(fā)生垮落(變形大，10.0 m以上)。

特厚煤層； 分層開(kāi)采； 地表沉降； 水平移動(dòng)

近年來(lái)采礦工業(yè)快速發(fā)展，厚煤層開(kāi)采已成為發(fā)展的重要方向。許多學(xué)者結(jié)合各自參與的具體工程開(kāi)展了大量有針對(duì)性的研究工作，而且厚煤層開(kāi)采的理論也有了較快的發(fā)展[1-2]。馮國(guó)財(cái)?shù)萚3]采用鉆孔沖洗液耗失量法對(duì)太平煤礦覆巖的破壞特征進(jìn)行了研究，以便確保水庫(kù)下特厚煤層綜放開(kāi)采安全。郜錦柱等[4]通過(guò)對(duì)任樓煤礦綜采預(yù)留煤柱及跨采時(shí)底板巷道破壞的分析，提出了一種適用的動(dòng)態(tài)分步加固技術(shù)方案。于雷等[5]對(duì)特厚煤層綜放開(kāi)采頂板巖層所成結(jié)構(gòu)及支架工作阻力進(jìn)行了研究，并給出了特厚煤層綜放開(kāi)采支架工作阻力的解析計(jì)算式。張宏偉等[6]則以同忻煤礦15 m特厚煤層為例，采用多種方法對(duì)特厚煤層綜放開(kāi)采覆巖破壞高度進(jìn)行了深入研究。王金華[7]以塔山煤礦為依托研發(fā)出了大采高綜放工作面片幫綜合防治、高效高采出率放煤等關(guān)鍵技術(shù)。劉金海等[8]通過(guò)留設(shè)合理寬度的區(qū)段煤柱來(lái)確保深井特厚煤層綜放工作面順利接續(xù)和安全回采。別小飛等[9]采用實(shí)驗(yàn)室測(cè)定和現(xiàn)場(chǎng)礦壓觀測(cè)的方法，對(duì)千秋煤礦巨厚礫巖層下特厚煤層綜放工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行了分析研究。馬立強(qiáng)等[10]為了減少厚煤層開(kāi)采的區(qū)段煤柱損失，提出了巷內(nèi)預(yù)置充填帶的無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)。胡青峰[11]結(jié)合實(shí)測(cè)資料和地質(zhì)采礦，初步揭示了地表裂縫的發(fā)育過(guò)程。趙景禮等[12]提出了一種厚煤層無(wú)煤柱開(kāi)采的錯(cuò)層位巷道布置采全厚采煤法。于斌等[13]則以大同礦區(qū)特厚煤層開(kāi)采為例得到了巷道超前支護(hù)段的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)機(jī)制。李寧等[14-15]也通過(guò)多種方法對(duì)隧洞巷道的變形特性進(jìn)行了研究。

上述研究成果在解決具體工程問(wèn)題方面起到了顯著作用，并對(duì)類似特厚煤層的開(kāi)采具有一定的指導(dǎo)意義，但針對(duì)大佛寺礦區(qū)的實(shí)際情況，仍需要開(kāi)展專門(mén)的研究工作。大佛寺礦區(qū)地形地質(zhì)條件非常復(fù)雜，主要表現(xiàn)為：① 特厚濕陷性黃土覆蓋層的存在使得開(kāi)采沉陷為臺(tái)階式切落破壞；② 礦區(qū)位于黃土溝壑區(qū)，其開(kāi)采沉陷范圍不同于平原地區(qū)；③ 許多村莊位于塬面或近溝坡區(qū)。黃土高原地區(qū)這種溝坡縱橫切割的地形使得開(kāi)采沉陷區(qū)范圍具有顯著差異，因此針對(duì)大佛寺煤礦礦區(qū)開(kāi)展地表變形和地層應(yīng)力方面的研究至關(guān)重要，該研究不僅能夠指導(dǎo)本礦區(qū)煤層的順利開(kāi)采，而且能夠?yàn)楦浇鼌^(qū)域類似礦區(qū)的開(kāi)采作用提供參考和借鑒。

1　工程概況

大佛寺礦區(qū)位于彬長(zhǎng)礦區(qū)開(kāi)采邊界內(nèi)，地處彬縣、長(zhǎng)武兩縣交界地帶，采礦許可范圍東西長(zhǎng)約15 km，南北寬約5.8 km，井田面積約86.3 km2。礦井目前的實(shí)際生產(chǎn)能力達(dá)到500 萬(wàn)t/a。

該項(xiàng)目區(qū)屬塬川地貌，南高北低。塬面開(kāi)闊平坦，最高海拔1 106 m，最低海拔849 m。地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)鄂爾多斯盆地分區(qū)，從東南向西北沿溝谷依次出露三疊系上統(tǒng)胡家村組(T3h)、侏羅系中統(tǒng)延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，白堊系下統(tǒng)宜君組(K1y)、洛河組(K1l)，詳見(jiàn)圖1。

根據(jù)調(diào)查及資料分析，目前大佛寺煤礦109工作面、111工作面及113工作面上方7 m已經(jīng)開(kāi)采，開(kāi)采方式為綜合機(jī)械化長(zhǎng)壁放頂煤條帶式開(kāi)采。采區(qū)煤層埋深約410 m，煤層平均厚15 m，采高7.0 m，工作面及煤柱預(yù)留寬度均為90 m。

圖1　礦區(qū)構(gòu)造圖Fig.1　The mining structural diagram

2　數(shù)值模型和計(jì)算參數(shù)

2.1數(shù)值模型

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告及采空區(qū)實(shí)際情況，以開(kāi)采工作面傾向斷面為剖面建立計(jì)算模型，模型的長(zhǎng)度為1 000 m，垂直高度為500 m，煤層埋深400 m，煤層厚度15 m，采用綜合機(jī)械化長(zhǎng)壁放頂煤條帶式開(kāi)采，分109、111、113三個(gè)工作面開(kāi)采，每個(gè)工作面均分為上下兩層開(kāi)采，111工作面的中線與模型中線相重合，每個(gè)工作面和煤柱寬度均為90 m。本文采用UDEC離散元軟件(主要用于評(píng)價(jià)巖體的節(jié)理、裂隙、層面對(duì)地下工程的影響)進(jìn)行模擬分析，借助gen edge 5 命令，將模型劃分成三角形單元，單元的最大邊長(zhǎng)不超過(guò)5 m。塊體本構(gòu)模型選擇摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，節(jié)理模型選取庫(kù)侖滑動(dòng)模型。

模型采用施加速度邊界條件：左右兩側(cè)邊界x方向的速度為0，底邊界x和y方向的速度均為0，上邊界為自由邊界。當(dāng)最大不平衡力小于10-5N時(shí)，即認(rèn)為計(jì)算達(dá)到平衡。煤礦開(kāi)采地質(zhì)剖面及數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖2和圖3。

圖2　工程地質(zhì)剖面圖Fig.2　The engineering geologic profile

因開(kāi)采存在多個(gè)工作面及煤柱且工作面均分為上下部分開(kāi)采，為了方便下文分析，現(xiàn)對(duì)工作面及煤柱作如下定義(見(jiàn)圖4)。

圖3　數(shù)值計(jì)算模型Fig.3　The numerical calculation model

圖4　采區(qū)分區(qū)示意圖Fig.4　The partition schematic diagram

2.2計(jì)算參數(shù)

地層從上到下依次分為8層，分別為：K1l、K1y、J2a、J2z、J2y、coal、J2y、T3h，各巖層參數(shù)如表1所示。

表1　各層巖石參數(shù)表

3　煤礦工作面上部開(kāi)采數(shù)值模擬

當(dāng)前大佛寺煤礦的109、111和113工作面上部7 m煤層已經(jīng)開(kāi)采完畢，本節(jié)首先對(duì)該開(kāi)采過(guò)程進(jìn)行模擬。研究該煤層在進(jìn)行上部開(kāi)采時(shí)的變形和受力特性以及地表沉降規(guī)律等。數(shù)值分析按依次開(kāi)采工作面上部的A區(qū)、C區(qū)和E區(qū)進(jìn)行模擬，并在地表每隔50 m設(shè)置一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，用以觀測(cè)地表變形情況。

3.1地表沉降規(guī)律研究

依次開(kāi)采109、111和113工作面上部7 m煤層A區(qū)、C區(qū)和E區(qū)后，地表的沉降規(guī)律如圖5所示。

圖5　地表沉降曲線Fig.5　The ground settlement curves

由圖5可看出，煤層開(kāi)采引起的地表沉降變形呈漏斗形，且隨著A區(qū)、C區(qū)、E區(qū)的開(kāi)采，地表沉降值變形呈增大趨勢(shì)。A區(qū)開(kāi)采完成后地表的最大沉降變形位于該采區(qū)正上方約為1.36 m，而當(dāng)E區(qū)開(kāi)采完畢后，地表最大沉降變形的位置發(fā)生了右移且量值增大到2.34 m，增幅約為72%。此外還可以看出C區(qū)開(kāi)采后的地表沉降曲線呈現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱性，在A區(qū)和E區(qū)之間的變形曲線有一較緩的區(qū)段，這是因?yàn)樵撎庮A(yù)留煤柱抑制了地表沉降所致。而當(dāng)E區(qū)開(kāi)采后的沉降曲線的不對(duì)稱性更加明顯，且出現(xiàn)了兩處明顯的變形臺(tái)階，而該兩部位均有煤柱存在?？梢?jiàn)預(yù)留煤柱的存在能夠有效控制地表沉降變形的發(fā)展。

3.2地表水平移動(dòng)規(guī)律研究

依次開(kāi)采109、111和113工作面上部7m煤層A區(qū)、C區(qū)和E區(qū)后，地表水平移動(dòng)規(guī)律如圖6所示。

圖6　地表水平移動(dòng)曲線Fig.6　The surface subsidence curves

由圖6可看出，煤層開(kāi)采后引起上部地表產(chǎn)生了較大的水平移動(dòng)變形。A區(qū)開(kāi)采后采區(qū)上部地表由兩側(cè)向采區(qū)中線部位地表發(fā)生移動(dòng)，地表水平移動(dòng)曲線近似呈倒S形，且最大值約為0.102 m。隨著C區(qū)和E區(qū)依次開(kāi)采，地表各點(diǎn)的水平移動(dòng)變形不斷增大且水平移動(dòng)方向的拐點(diǎn)不斷向新開(kāi)采區(qū)移動(dòng)。E區(qū)開(kāi)采完畢后地表的最大水平移動(dòng)變形約為0.635 m，近似為A區(qū)開(kāi)采后的6倍。同地表沉降變形規(guī)律類似，地表水平移動(dòng)變形也存在變形臺(tái)階，這均是留設(shè)煤柱有效抑制了地表變形所致。

3.3采區(qū)圍巖應(yīng)力場(chǎng)研究

工作面上部煤層依次開(kāi)采后圍巖的豎直應(yīng)力場(chǎng)分布等值線圖如圖7所示。

圖7　豎直應(yīng)力等值線圖Fig.7　The vertical stress contour map

從圖7可看出，工作面上部煤層開(kāi)采后，圍巖豎直應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生了較大變化，不再呈水平分布。A區(qū)煤層開(kāi)采后圍巖豎直應(yīng)力等值線呈深U型分布，煤層開(kāi)采引起圍巖發(fā)生了應(yīng)力重分布，越靠近開(kāi)采區(qū)域應(yīng)力釋放現(xiàn)象越顯著。C區(qū)開(kāi)采后再次引起了圍巖應(yīng)力重分布，且部分區(qū)域與A區(qū)開(kāi)采產(chǎn)生的效應(yīng)有疊加現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)力場(chǎng)呈深W型。由于兩側(cè)煤層的開(kāi)采引起B(yǎng)區(qū)預(yù)留煤層存在較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象(-16 MPa)。E區(qū)開(kāi)采后同樣引起圍巖應(yīng)力釋放，且與E、C區(qū)煤層中間的D區(qū)預(yù)留煤柱有應(yīng)力集中現(xiàn)象(-16 MPa)，而且使得B區(qū)煤柱的應(yīng)力值增至-20 MPa。

3.4采區(qū)圍巖位移場(chǎng)研究

工作面上部煤層依次開(kāi)采后圍巖豎直位移分布云圖如圖8所示。

圖8　圍巖豎直位移云圖Fig.8　The vertical displacement nephogram

由圖8可看出，工作面上部煤層開(kāi)采后四周圍巖向工作面移動(dòng)，其中頂板以沉降為主而底板以隆起變形為主。A區(qū)開(kāi)采后圍巖豎直變形以A采區(qū)中線呈對(duì)稱分布，越靠近開(kāi)采工作面變形越大，而且變形已經(jīng)發(fā)展至地表，此外煤層頂板局部區(qū)域有冒落現(xiàn)象(變形值約為6.0 m)。C區(qū)開(kāi)采后同樣引起了周圍圍巖移動(dòng)，并且顯著增加了A區(qū)頂部巖體的變形情況，而且變形影響范圍內(nèi)存在疊加區(qū)域。E區(qū)開(kāi)采后的情況同C區(qū)。三采區(qū)引起的上部巖體的變形連成一片，但A區(qū)頂部巖體的沉降變形最大，E區(qū)最小。各采區(qū)頂部局部都存在不同程度的冒落現(xiàn)象且引起地表近2.0 m的沉降變形，因此在煤層開(kāi)采時(shí)務(wù)必要做好支護(hù)工作，確保開(kāi)采工作的順利進(jìn)行。

4　預(yù)留煤柱及工作面下部回采模擬

上節(jié)對(duì)大佛寺煤礦當(dāng)前的開(kāi)采現(xiàn)狀進(jìn)行了模擬，研究了A、C和E區(qū)工作面上部開(kāi)采后地表的沉降變形及圍巖的受力情況，本節(jié)擬在此基礎(chǔ)上模擬對(duì)預(yù)留煤柱和各工作面下部煤層的回采情況，具體開(kāi)采順序依次為： B區(qū)、D區(qū)、F區(qū)、G區(qū)、H區(qū)、I區(qū)、J區(qū)。

4.1地表沉降規(guī)律研究

各區(qū)依次回采后的地表沉降曲線如圖9所示。

圖9　地表沉降曲線Fig.9　The ground settlement curves

由圖9可看出，隨著對(duì)各區(qū)域煤層先后回采，地表沉降逐漸增大且其最大值位置不斷右移。B區(qū)上部預(yù)留煤層開(kāi)采后地表最大沉降變形由2.34 m增加為4.01 m,增幅高達(dá)59%，且顯著增加了A區(qū)和C區(qū)上部地表的沉降變形。D區(qū)煤層回采對(duì)C區(qū)和E區(qū)上部地表沉降變形影響最顯著。當(dāng)各工作面上部煤層全部開(kāi)采完畢，下部煤層開(kāi)采至G區(qū)時(shí)頂板圍巖沉降變形急劇增大，由F區(qū)開(kāi)采后的5.36 m增加到8.53 m，增幅近60%?；夭芍罥區(qū)時(shí)地表沉降曲線出現(xiàn)了一水平區(qū)段，為沉降變形的最大值(約為10.0 m)，說(shuō)明I區(qū)開(kāi)采引起地表橫坐標(biāo)400 m～500 m范圍內(nèi)地層達(dá)到了充分采動(dòng)。J區(qū)開(kāi)采后這一范圍向右增加了近150 m?？梢?jiàn)地表沉降變形并不是隨著開(kāi)挖區(qū)域的擴(kuò)大而無(wú)限制地增大的，而是當(dāng)開(kāi)采達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)趨于定值，該值約為10.0 m。

4.2地表水平移動(dòng)規(guī)律研究

各區(qū)域開(kāi)采后的地表水平移動(dòng)圖如圖10所示。

圖10　地表水平移動(dòng)曲線Fig.10　The surface subsidence curves

由圖10可看出，隨著剩余區(qū)域煤層的相繼開(kāi)采，采區(qū)兩側(cè)地表以采區(qū)為中心發(fā)生相向移動(dòng)，地表水平移動(dòng)圖呈倒S型，且地表存在不發(fā)生移動(dòng)的點(diǎn)(臨界點(diǎn))，該點(diǎn)左側(cè)地表向右移動(dòng)，右側(cè)向左移動(dòng)。B區(qū)開(kāi)采使得其兩側(cè)地表移動(dòng)顯著增加，并使得臨界點(diǎn)向左移動(dòng)了近50 m，但其底部地表水平移動(dòng)值卻有所降低。E區(qū)開(kāi)采后水平移動(dòng)曲線存在兩個(gè)明顯的臺(tái)階，但B區(qū)開(kāi)采后卻只有D區(qū)對(duì)應(yīng)的臺(tái)階比較顯著，可見(jiàn)預(yù)留煤柱對(duì)抑制水平移動(dòng)變形也具有較好的效果。D區(qū)開(kāi)采對(duì)左側(cè)地表影響尤為顯著。當(dāng)開(kāi)采下部F區(qū)煤層時(shí)，引起其右側(cè)地表水平移動(dòng)值急劇增大，且在橫坐標(biāo)為500 m～680 m處，地表移動(dòng)方向發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，右側(cè)水平移動(dòng)最大值由0.21 m增大至0.45 m，增加了1倍多。后續(xù)煤層的開(kāi)采進(jìn)一步增加了兩側(cè)地表的水平移動(dòng)值。

根據(jù)上述分析可以看出，左側(cè)煤層開(kāi)采對(duì)右側(cè)地表的水平移動(dòng)變形影響較大，而右側(cè)煤層開(kāi)采則對(duì)左側(cè)地表的水平移動(dòng)變形影響較大，采區(qū)中部地表最終的水平移動(dòng)變形近似為零。由于時(shí)間效應(yīng)的影響，左右兩側(cè)地表的最大水平移動(dòng)值并不相等，左邊為1.8 m，右側(cè)為0.9 m。

4.3采區(qū)圍巖應(yīng)力場(chǎng)研究

為了節(jié)省篇幅，文中僅給出D區(qū)、H區(qū)和J區(qū)開(kāi)采后的應(yīng)力等值線圖，詳見(jiàn)圖11。

圖11　豎直應(yīng)力等值線圖Fig.11　The vertical stress contour map

從圖11(a)可看出，回采B區(qū)和D區(qū)兩處煤柱后，使得整個(gè)開(kāi)挖臨空面貫通，跨度成倍增加，致使煤層頂板和下部煤層均發(fā)生了明顯的應(yīng)力重分布現(xiàn)象，且在C區(qū)和E區(qū)附近存在兩處明顯的應(yīng)力集中區(qū)，此時(shí)圍巖的最大豎直壓應(yīng)力約為16.0 MPa。從圖11(b)和(c)可以看出，隨著下部煤層不斷被開(kāi)采，巷道圍巖應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)域不斷擴(kuò)大，應(yīng)力集中現(xiàn)象更加顯著(-40 MPa)。通過(guò)以上各圖對(duì)比分析可知，隨著預(yù)留煤層的回采和下部煤層的相繼開(kāi)采，使得煤層頂板巖層出現(xiàn)懸空，頂板下方?jīng)]有支撐體，致使頂板巖層將其部分自重傳遞給周圍尚未被開(kāi)采的巖體，打破了原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，因此發(fā)生了應(yīng)力重分布，并且部分區(qū)域出現(xiàn)了應(yīng)力集中甚至破壞。

4.4圍巖豎直位移研究

各個(gè)區(qū)域開(kāi)采后豎直位移云圖如圖12所示。

圖12　圍巖豎直位移云圖Fig.12　The vertical displacement nephogram

由圖12(a)可看出，隨著對(duì)預(yù)留煤柱的回采，煤層上部圍巖變形區(qū)域連成一片，較E區(qū)開(kāi)采后圍巖變形顯著增大，紅色變形區(qū)域(變形量值為5.0 m～6.0 m)已發(fā)展至地表且范圍也明顯增大。煤層頂板的沉降變形約為6.0 m～7.0 m，而下部煤層則呈隆起變形。從圖12(b)和(c)可以看出，隨著下層煤層的相繼開(kāi)采，圍巖的變形區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，變形量值也顯著增加(10.0 m～12.0 m)，10 m以上變形區(qū)域的范圍擴(kuò)大，J區(qū)開(kāi)采后紅色變形區(qū)域(量值為10 m)已發(fā)展至地表。

綜合應(yīng)力和地表變形分析可知， 將預(yù)留煤柱B區(qū)和D區(qū)回采后，頂板上方并未發(fā)生大規(guī)?？迓洌S著后續(xù)下層各個(gè)區(qū)域煤層的開(kāi)采，開(kāi)挖凌空面不斷增大，圍巖的豎直沉降變形值也不斷增大，沉降值相同的區(qū)域不斷擴(kuò)大且相互貫通，直至I區(qū)開(kāi)采后地表變形達(dá)到充分采動(dòng)，地表的最大沉降值保持不變。可見(jiàn)設(shè)計(jì)開(kāi)采工作面規(guī)劃合理，但在開(kāi)采下部煤層時(shí)要做好支護(hù)，以防大規(guī)模坍塌事故發(fā)生。

5　結(jié)　論

大佛寺煤礦位于位于彬長(zhǎng)礦區(qū)開(kāi)采邊界內(nèi)，所處區(qū)域?yàn)檐ǖ孛?，地形地質(zhì)條件非常復(fù)雜，本文采用UDEC離散元軟件對(duì)該礦區(qū)的特厚煤層開(kāi)采引起的地表變形和地層應(yīng)力規(guī)律進(jìn)行了研究，主要取得了以下認(rèn)識(shí)。

1) 通過(guò)對(duì)開(kāi)采現(xiàn)狀的模擬(A區(qū)、C區(qū)和E區(qū))表明地表沉降呈V字形，最大沉降變形為2.34 m；地表水平移動(dòng)呈倒S形分布，最大值為0.64 m；預(yù)留煤柱對(duì)于抑制地表變形具有顯著的效果；

2) 預(yù)留煤柱回采后地表最大沉降變形為4.32m，地表水平移動(dòng)最大值為0.85 m；

3) 當(dāng)對(duì)下部煤層開(kāi)采至I區(qū)時(shí)地表變形達(dá)到充分采動(dòng)，此時(shí)的沉降變形近似為10.0 m，當(dāng)全部開(kāi)采完畢時(shí)地表的最大水平移動(dòng)變形為1.73 m；

4) 上部煤層A區(qū)、C區(qū)和E區(qū)開(kāi)采引起圍巖應(yīng)力重分布且在預(yù)留煤柱和邊墻部位存在應(yīng)力集中現(xiàn)象(達(dá)-20 MPa)，預(yù)留煤柱回采后上部煤層開(kāi)挖面貫通應(yīng)力擾動(dòng)范圍和程度進(jìn)一步增大，當(dāng)下部煤層全部開(kāi)采后，頂板巖層臨空現(xiàn)象加劇，大部分區(qū)域發(fā)生冒落破壞；

5) 上部煤層(A區(qū)、C區(qū)和E區(qū))開(kāi)采后圍巖變形區(qū)域相互疊加，呈M形分布且局部頂板存在冒落現(xiàn)象，預(yù)留煤柱回采后圍巖變形區(qū)貫通，紅色區(qū)域(變形值為5 m以上)發(fā)展至地表，下部煤層開(kāi)采后變形范圍和量值進(jìn)一步增大(大部分區(qū)域變形值大于10 m)，且頂板上方存在大片垮落區(qū)域，破壞區(qū)域已經(jīng)貫通。

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(責(zé)任編輯王衛(wèi)勛,王緒迪)

Research on the deformation and stress behaviors of Dafosi coal mine

LIU Naifei1， LI Ning1，2， ZHANG Zhu1， YANG Min1， LIU Xiaoping1，3

(1.Institute of Geotechnical Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China；2.School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730101，China；3.Xi’an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corp，Xi’an 710077，China)

Dafosi coal mine is situated in the Bin-Chang mine boundary and its geology and land form conditions are very complicated. With the help of the discrete element software of UDEC, the surface distortion rule and distributing character of the stress field caused by coal mining have been systematic studied in this paper. This study shows that: 1) the ground settlement curves have a V distribution when the coal seam was extracted. After the follow-up mining areas are extracted, the surface subsidence deformation becomes correspondingly larger and larger when reaching full subsidence its tends to be a constant value (10.0 m); 2) the surface moved to the mining area direction from the both sides and the deformation curves show an inverted-S distribution. The maximum value of level move deformation is 1.73m; 3) the coal mining can cause adjoining rock stress redistribution and some areas appears to have the obvious stress concentration phenomena (40MPa). With the follow-up mining areas extracting, stress disturbance region continues to expand, whereby resulting in top kill as stratum to have an air face in such a way that there occurs to have the collapse in most regions (deformation is larger than 10.0 m).

thick coal seam； slice mining； surface subsidence； horizontal migration

1006-4710(2016)02-0240-07

10.19322/j.cnki.issn.1006-4710.2016.02.018

2015-04-03

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51179153)；西安理工大學(xué)博士學(xué)位論文創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(207-002J1306)

劉乃飛，男，博士生，研究方向?yàn)榈叵鹿こ毯投鄨?chǎng)耦合。E-mail:liunaifei1985@126.com

李寧，男，教授，博導(dǎo)，研究方向?yàn)閹r土工程。E-mail: ningli@xaut.edu.cn

O319.56

A