地下空間開挖過采空區(qū)時覆巖移動變形的數(shù)值模擬研究

馮國瑞，仲叢明，任亞峰，劉鴻福，康立勛

(太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，太原 030024)

0 引言

隨著土地資源的緊張以及安全儲備的需求，地下空間的開發(fā)愈來愈引起人們的重視，國內(nèi)外一些發(fā)達城市已有相關(guān)工程實踐，山西作為曾經(jīng)的能源重化工基地、現(xiàn)在的中部欠發(fā)達地區(qū)雖有很多相關(guān)規(guī)劃但至今仍沒有大型的成功實例，其中很重要的一個因素就是地下空間開挖往往要跨越采空區(qū)［1］。而地下空間開挖對采空區(qū)已穩(wěn)定覆巖必然會有影響，其受影響后又反作用于新開發(fā)的地下空間工程，使得地下空間工程的穩(wěn)定性問題更為復(fù)雜，其中最直接的地下空間開挖過采空區(qū)時覆巖移動變形是首先要遇到的問題，至今尚不明確?？梢越梃b的相關(guān)領(lǐng)域研究僅有煤炭地下開采的上行開采，下部煤層已采后開采上部煤層，研究其對覆巖移動變形的影響，文獻［2-3］研究了地下空間開挖對上覆巖層的損傷范圍及采空區(qū)上方的安全施工距離，文獻［4］研究了采空區(qū)上方地下空間工程開挖的可行性判定條件。但該領(lǐng)域人們研究的熱點愈來愈趨向跨越采空區(qū)的地下空間工程穩(wěn)定性，不過到目前為止，根據(jù)相關(guān)文獻，地下工程施工時覆巖移動變形這個問題仍有報道，其與上行開采的覆巖移動變形本質(zhì)又不相同，前者是靜態(tài)的大體量開挖，后者是動態(tài)的小體量開挖，所以需要專門的有針對性的研究?？紤]巖土工程的特點，縱觀目前的研究手段［5］，數(shù)值模擬是該問題最直觀簡便快速的一種研究方法，所以本文以某大型地下空間工程過南坑礦8#煤采空區(qū)為研究對象，通過數(shù)值模擬的方法研究其采空區(qū)覆巖移動變形情況。以期為進一步開發(fā)研究地下空間開挖過采空區(qū)時的巖層控制技術(shù)提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支持。

1 模型的建立

擬開挖的大型地下空間工程將經(jīng)過南坑礦8#煤采空區(qū)上方，埋深150 m。8#煤底板為5 m厚砂巖，頂板為3.8 m石灰?guī)r，采高2 m;在8#煤采空區(qū)上方27.9 m處在6 m厚頁巖內(nèi)開挖1.7 m高度的空間(詳見圖1)。

圖1 開挖體與采空區(qū)層間巖層柱狀圖Fig.1 Bar chart between goaf and subsurface engineering excavation

1.1 模型邊界條件

根據(jù)實例中煤層的賦存條件，設(shè)定計算模型的邊界條件如下:

1)模型上邊界條件。區(qū)域頂面為自由頂，僅考慮在自重荷載作用形成的初始應(yīng)力場下進行模擬施工，該荷載主要為上覆巖層的自重產(chǎn)生的應(yīng)力，由下式計算:

q=∑γihi。

式中:γi和hi分別為第i層巖體的容重和厚度，上覆巖層總厚度為150 m。

實體模型建立后在該自重作用下計算平衡，由于實際中巖體固結(jié)已經(jīng)完成，所以模型在此時產(chǎn)生的位移清零，不計入其后的計算分析中。

2)模型下邊界條件。模型的下邊界為下層煤底板5 m厚砂巖，根據(jù)實際情況模型下邊界條件簡化為位移邊界，X和Y方向自由運動，Z方向固定約束。

3)兩側(cè)邊界條件。模型的兩側(cè)為實體煤層和巖體，根據(jù)實際情況簡化為位移邊界條件，Y和Z方向自由運動，X方向固定約束。

1.2 數(shù)值模型

根據(jù)工程實際，建立的模型密度云圖見圖2。

為了監(jiān)控各巖層移動變形情況，縱向在每巖層設(shè)置監(jiān)控點監(jiān)控不平衡力及其位移量，橫向從開挖點開始，每隔10 m設(shè)置一點，布控范圍0～220 m，具體布置見圖3。

圖2 模型密度云圖Fig.2 The contour of density in physical models

圖3 模型監(jiān)控點布置示意圖Fig.3 The arrangement plan of monitory points in the model

2 采空區(qū)上方地下空間開發(fā)條件下采空區(qū)覆巖豎直方向的移動變形

采空區(qū)上方地下空間開發(fā)是在采空區(qū)覆巖移動變形穩(wěn)定后進行的，所以此處采空區(qū)覆巖位移只考慮開挖引起的，模型計算取值時下層煤開采產(chǎn)生的的位移量清零，這部分位移量只取地下空間開挖產(chǎn)生的位移增量［6-12］。

2.1 采空區(qū)上方地下空間開發(fā)過程中監(jiān)控點豎直方向移動變形

距離模型左邊界100 m處一組監(jiān)控點(圖3中Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ點)監(jiān)控開挖過程中該點位移增量，監(jiān)控點Z方向位移增量與開挖推進曲線關(guān)系見圖4。開挖破壞了層間巖層的穩(wěn)定狀態(tài)，開挖距離監(jiān)控點較遠時(推進10～50 m)，各監(jiān)控點位移增量較小且差異不大，說明巖層此時并未發(fā)生明顯的離層和分帶現(xiàn)象，只在自重及開挖引起的應(yīng)力作用下整體下移;距離該組監(jiān)控點較近(推進60～90 m)時，各監(jiān)控點位移增量開始增大且位移量開始出現(xiàn)差異，說明發(fā)生明顯的離層和分帶現(xiàn)象，此時，采空區(qū)覆巖主要在應(yīng)力作用下向下移動;當開挖推進到監(jiān)控點上部時，Ⅱ點(2.5 m石灰?guī)r)隨開挖向前推進不再發(fā)生移動，結(jié)合應(yīng)力云圖可以發(fā)現(xiàn):此時該點巖層處于Z方向的小壓應(yīng)力范圍，應(yīng)力變化未失去整體性及連續(xù)性，主要在自重及X方向的應(yīng)力作用下產(chǎn)生移動變形，該層應(yīng)為控制層;Ⅱ點、Ⅲ點和Ⅳ點位移量均不相同并且依次增大，說明開挖過程中層間巖層確實有控制層在起作用，同時也發(fā)生了離層;隨著開挖面離該點越遠，位移量越大，位移增量越小，直至重新達到穩(wěn)定狀態(tài)，這是因為在開挖未達到該點上部時，該點受開挖集中應(yīng)力作用向下移動，而當開挖通過后，壓應(yīng)力前移，自重及X方向應(yīng)力重新起主導(dǎo)作用，使其產(chǎn)生位移，且位移量逐漸趨于相同，直至巖層重新壓實。

圖4 監(jiān)控點Z方向位移增量與開挖推進關(guān)系圖Fig.4 Settlment graph of monitoring points flowing advance of upper coal face

2.2 采空區(qū)上方地下空間開發(fā)后采空區(qū)覆巖的移動變形

開挖完成后各層間巖層最大位移增量曲線見圖5，開挖應(yīng)力隨開挖推進逐漸作用于巖層，使各巖層產(chǎn)生位移、變形。其中，34.5 m線(開挖底板2.5 m厚石灰?guī)r)位移量明顯小于下層巖層，說明開挖底板2.5 m厚石灰?guī)r與下層巖層發(fā)生離層，最大離層位置為距離模型左邊界140～150 m處，最大離層距離為10 cm，2.5 m厚石灰?guī)r應(yīng)為控制層?？刂茖釉谖撮_挖時其最大位移量出現(xiàn)在110 m處，而開挖后最大位移量出現(xiàn)在距離模型左邊界160 m處，通過應(yīng)力云圖和監(jiān)控點應(yīng)力曲線圖可知，在開挖前進方向上層間巖層壓應(yīng)力相對集中，集中壓應(yīng)力主要由控制層承擔，造成其豎直方向位移最大的位置向前移動，而其下部的巖層Z方向位移最大的位置向前移動的相對較小(出現(xiàn)在150 m處);9.8 m線與28.9 m線(采空區(qū)頂板3.8 m厚石灰?guī)r和3 m厚砂巖)向下運動幾乎平行，而與34.5 m線相差較大，說明距離模型底板9.8～28.9 m巖層整體移動，而與34.5m線移動步調(diào)不一致，進一步說明2.5 m厚石灰?guī)r層為控制巖層。結(jié)合應(yīng)力云圖可知9.8～28.9 m巖層處于小壓應(yīng)力范圍內(nèi)，且位于控制層下部，內(nèi)應(yīng)力拱內(nèi)部，承受的控制層傳遞的壓應(yīng)力較小，所以該巖層應(yīng)主要在自重及X方向應(yīng)力作用下移動，最大位移位置為距離模型左邊界140 m處，也進一步說明控制層確實在開挖過程中起了控制作用。

圖5 開挖后層間巖層最大位移增量曲線圖Fig.5 Settlement graph of strata between coal seams after upward mining

3 采空區(qū)上方地下空間開發(fā)條件下采空區(qū)覆巖水平方向移動變形

3.1 采空區(qū)上方地下空間開發(fā)過程中監(jiān)控點水平方向的移動變形

見圖6。

圖6 監(jiān)控點隨上行開發(fā)X方向位移增量曲線圖Fig.6 Horizontal displacement graph of monitoring points flowing advance of upper coal face

取距離模型左邊界100 m處一組監(jiān)控點(圖3中Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ點)，作其X方向位移增量和開挖面推進距離之間的關(guān)系曲線。在開挖面距離監(jiān)控點較遠時，巖層并未產(chǎn)生水平方向上的位移，結(jié)合此時的X方向應(yīng)力云圖可知:開挖在橫向造成的影響范圍相對較小，基本集中在開挖面前方2～10 m;當開挖面距離監(jiān)控點較近時，巖層在開挖面前方集中應(yīng)力作用下產(chǎn)生移動，且各巖層移動量及方向明顯不同，巖層間開始出現(xiàn)橫向錯動。開挖體頂板監(jiān)控點Ⅰ在開挖面經(jīng)過后處于臨空狀態(tài)，在自重及上覆巖層的應(yīng)力作用下向開挖區(qū)移動，除向下移動外，也在開挖面前集中的應(yīng)力及其后部由于外應(yīng)力拱后移造成的低應(yīng)力的負壓作用影響下橫向移動;監(jiān)控點Ⅱ位于2.5 m石灰?guī)r控制層中，該層在開挖過程中承載了主要X方向集中應(yīng)力，并在該應(yīng)力作用下向開挖前進方向移動，當開挖面經(jīng)過后該點處于穩(wěn)定狀態(tài)，不再發(fā)生位移，直至后應(yīng)力拱拱腳臨近該點繼續(xù)前移，這是因為在開挖到160 m時，控制層在控制點處X方向上的應(yīng)力不再是平衡狀態(tài)，左側(cè)大于右側(cè)，此時控制層形成懸壁梁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將控制層承受的壓應(yīng)力轉(zhuǎn)移至右側(cè)實體圍巖中，致使X方向應(yīng)力相對減小，控制層X方向失衡;監(jiān)控點Ⅲ處在內(nèi)應(yīng)力拱的影響范圍內(nèi)，開挖經(jīng)過后在內(nèi)應(yīng)力拱的作用下向開挖前進方向移動，且移動量大于控制層移動量;監(jiān)控點Ⅳ在開挖到達時處于內(nèi)應(yīng)力拱中下部，主要在自重及上部巖層傳遞X方向應(yīng)力作用下向開挖前進的反方向移動，當開挖面距離較遠時，應(yīng)力拱拱腳到達該點，該點又向開挖前進方向移動，并且移動量大于其自身之前的移動量和控制層的移動量，繼續(xù)前移，整體的移動過程為“先左后右”;所有以上的移動變形都會在一段時間后巖層重新穩(wěn)定時停止。

3.2 采空區(qū)上方地下空間開發(fā)后層間巖層水平方向的移動變形

開挖后層間巖層X方向位移增量曲線見圖7。

采空區(qū)頂板9.8 m線在兩側(cè)內(nèi)應(yīng)力共同作用下，經(jīng)歷了上述在開挖過程中先左后右的動態(tài)過程后，最終位移增量如圖7所示，左側(cè)拱腳為動態(tài)影響，隨開挖面推進而前進，影響范圍明顯大于右側(cè)拱腳，拱腳經(jīng)過后巖層就幾乎停止了移動，最大位移量為2.8 cm，而另一側(cè)始終處在拱腳應(yīng)力的影響下，位移增量較大，為6.3 cm;28.9 m線所受應(yīng)力情況與9.8 m線除方向外幾乎相同，但是由于所受應(yīng)力大小及巖石力學(xué)性質(zhì)差異的影響，28.9m線最大位移增量大于9.8 m線，左右兩側(cè)分別為3.3 cm和6.6 cm;34.5 m線為控制層，由應(yīng)力分析可知，該巖層在水平方向上承受的應(yīng)力要大于其下部巖層，但是相反其水平方向上的移動卻明顯小于下部巖層，進一步說明了該巖層的控制作用。

圖7 開挖后層間巖層X方向位移增量曲線圖Fig.7 Horizontal displacement graph of strata between coal seams after upward mining

4 結(jié)論

1)采空區(qū)上方開挖地下空間工程過程中，控制層在應(yīng)力作用下向下縱向移動，在開挖面經(jīng)過一段時間后停止移動，而非控制層在應(yīng)力作用下繼續(xù)移動，導(dǎo)致離層產(chǎn)生;在開挖面未到達時，巖層橫向幾乎不發(fā)生移動，開挖面到達后，各巖層出現(xiàn)錯動現(xiàn)象。

2)采空區(qū)上方開挖地下空間工程后，采空區(qū)覆巖橫向發(fā)生不同程度的錯動，總體上是兩側(cè)巖層向中間移動，因兩側(cè)受力不同，移動量不同，開挖前進方向巖層移動量大于背離方向，同時水平方向零位移點各層也各不相同，控制層明顯滯后于非控制層，相反，縱向最大位移增量點控制層較非控制層靠前。

3)在采空區(qū)上方開挖地下空間工程過程中，控制層的穩(wěn)定性對巖層的移動變形有重要作用?？刂茖臃€(wěn)定存在時，可以明顯地承載上部載荷，導(dǎo)致其上部巖層不會產(chǎn)生向下的大變形。

［1］ FENG Guorui，WANG Xianxia，KANG Lixun.A probe into“mining technique in the condition of floor failure”for coal seam above longwall goafs［J］.Journal of Coal Science＆Engineering ，2008，14(1):19-23.

［2］ 馮國瑞，閆永敢，楊雙鎖，等.長壁開采上覆巖層損傷范圍及上行開采的層間距分析［J］.煤炭學(xué)報，2009，34(8):1032-1036.(FENG Guorui，YAN Yonggan，YANG Shuangsuo，et al.Analysis on the damage zone of overlying strata and safety layer distance on the upward mining above the longwall goaf［J］.Journal of China Coal Society，2009，34(8):1032-1036.(in Chinese))

［3］ 馮國瑞.煤礦殘采區(qū)上行開采基礎(chǔ)理論與實踐［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2010.(FENG Guorui.The theory and its practice of the upward mining of the left-over coal［M］.Beijing:China Coal Industry Publishing House，2010.(in Chinese))

［4］ 馮國瑞，張緒言，李建軍，等.刀柱采空區(qū)上方遺棄煤層上行開采可行性判定［J］.煤炭學(xué)報，2009，34(6)，726-730.(FENG Guorui，ZHANG Xuyan，LI Jianjun，et al.Feasibility on the upward mining of the left-over coal above goaf with pillar supporting method［J］.Journal of China Coal Society，2009，34(6)，726-730.(in Chinese))

［5］ 錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.(QIAN Minggao，SHI Pingwu.Underground pressure and strata control［M］.Xuzhou:China University of Mining and Technology Press，2003.(in Chinese))

［6］ 馮國瑞，閆旭，王鮮霞，等.上行開采層間巖層控制的關(guān)鍵位置判定［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(S2):3721-3726.(FENG Guorui，YAN Xu，WANG Xianxia，et al.Determination of key positions of strata controlling in rocks between coal seams for upward mining［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(S2):3721-3726.(in Chinese))

［7］ 許家林，錢鳴高.覆巖關(guān)鍵層位置的判別方法［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000，29(5):463-467.(XU Jialin，QIAN Minggao.Method to distinguish key strata in overburden［J］.Journal of China University of Mining and Technology，2000，29(5):463-467.(in Chinese))

［8］ SU Wen H，PENG Syd S，HSIUNG S M.Interactions in multiple-seam mining Engineering Health and Safety in Coal Mining.Proceedings of the Symposium held at the SME Annual Meeting.USA:New Orleans，LA，Soc.of Mining Engineers Littleton Co.，1986.

［9］ 馮國瑞，鄭婧，任亞峰，等.垮落法殘采區(qū)上行綜采技術(shù)條件判定理論及方法［J］.煤炭學(xué)報，2010，35(11):1863-1867.(FENG Guorui，ZHENG Jing，REN Yafeng，et al.Decision theory and method on feasibility on the upward fully mechanized mining of the left-over coal above gob area mined with caving method［J］.Journal of China Coal Society，2010，35(11):1863-1867.(in Chinese))

［10］ 馬立強，汪理全，喬京利，等.平四礦近距煤層上行開采研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2008，25(3):357–360.(MA Liqiang，WANG Liquan，QIAO Jingli，et al.Study of ascending mining of short-range-seams in Pingdingshan coal mine No.4［J］.Journal of Mining and Safety Engineering，2008，25(3):357-360.(in Chinese))

［11］ Kripakov N P，Beckett L A，Donato D A.Loading on underground mining structures influenced by multiple seam interaction［C］//International Symposium on Application of Rock Characterization in Mine Design.Proceedings of the Symposium held at the SME-AIME Annual Meeting.USA:New Orleans，LA，Soc.of Mining Engineers of AIME Littleton Co.，1986.

［12］ 石永奎，莫技.深井近距離煤層上行開采巷道應(yīng)力數(shù)值分析［J］. 采礦與安全工程學(xué)報，2007，24(4):474-476.(SHI Yongkui，MO Ji.Numerical Analysis of Road Stress in Ascending Mining Close Distance Coal Seams in Deep Coal Mining［J］.Journal of Mining and Safety Engineering，2007，24(4):474-476.(in Chinese))