薄煤層開采對(duì)上覆構(gòu)筑物基礎(chǔ)變形影響的數(shù)值模擬研究

王再清，靳曉光，陳智強(qiáng)，邢獻(xiàn)軍

(1.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，重慶400042;2.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶400030;3.重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局107地質(zhì)隊(duì)，重慶401120;4.涉縣宏大建筑設(shè)計(jì)有限公司，河北涉縣056400)

開采地下礦產(chǎn)資源和保護(hù)地面或地下結(jié)構(gòu)物是既矛盾又統(tǒng)一的兩個(gè)方面。在結(jié)構(gòu)物下方留設(shè)保護(hù)煤柱是保護(hù)結(jié)構(gòu)物免受地下開采影響的一種比較可靠的方法。某擬建風(fēng)電場(chǎng)工程場(chǎng)地地處七耀山脈之中，場(chǎng)地地層主要為二疊系灰?guī)r和薄煤層。

本文的主要目的是研究煤層開采對(duì)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的影響，以提出比較經(jīng)濟(jì)、合理的安全煤柱留設(shè)范圍。依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》(2000)、《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定》(試行)(FD 003－2007)中的相關(guān)規(guī)定，模擬研究給出以下前提條件:①建筑物按II級(jí)保護(hù)對(duì)象進(jìn)行考慮，其圍護(hù)帶寬度為15 m。②建筑物荷載按100 kN/m2。③傾斜變形最大值按±3 mm/m(3‰)、水平變形最大值按±2 mm/m(2‰)、曲率最大值按 ±0.2×10－3/m 考慮。④風(fēng)機(jī)塔位基礎(chǔ)沉降最大值取200 mm。

表1 數(shù)值分析采用的物理、力學(xué)參數(shù)Tab.1 Numerical analysis with the physical and mechanical parameters

1 平緩或緩傾斜煤層

結(jié)合場(chǎng)地緩傾斜煤層的產(chǎn)狀特征，以傾角5°的緩傾斜煤層為例，按移動(dòng)角γ=β=50°－80°(圖1)進(jìn)行開采時(shí)，研究薄煤層開采對(duì)上覆待建構(gòu)筑物的影響，以便得出緩傾斜煤層不同埋深情況(煤層埋深按構(gòu)筑物中部下方煤層埋深計(jì))下合理的開采范圍和互不影響的開采深度建議值。

沿煤層傾向(X方向)、煤層走向(Y方向)和煤層埋深(Z方向)建立三維有限元模型，以埋深200 m為例，建立的數(shù)值分析模型(X×Y×Z=800×50×450 m)。煤層傾向方向X向位移約束，煤層走向方向Y向位移約束，豎直方向Z向位移約束，采用M－C準(zhǔn)則。采用的物理力學(xué)參數(shù)如表1所列。

下山、上山方向基礎(chǔ)下沉最大位移(水平位移很小)隨移動(dòng)角的變化曲線如圖2所示，其位移皆在容許范圍之內(nèi)。

煤層埋深為50 m時(shí)，按移動(dòng)角γ=β=80°開采完成后構(gòu)筑物基礎(chǔ)下沉最大位移分別為6.4 mm 和5.7 mm，傾斜變形0.04‰。γ、β 增大時(shí)下沉位移快速增大。

煤層埋深為100 m時(shí)，按移動(dòng)角γ=β=80°開采完成后構(gòu)筑物基礎(chǔ)下沉最大位移分別為26 mm和25 mm，傾斜變形0.05‰。γ、β增大時(shí)下沉位移快速增大。

煤層埋深為150 m時(shí)，按移動(dòng)角γ=β=80°開采完成后構(gòu)筑物基礎(chǔ)下沉最大位移分別為48.5 mm和47 mm，傾斜變形0.08‰。γ、β增大時(shí)下沉位移快速增大。

煤層埋深為200 m時(shí)，按移動(dòng)角γ=β=80°開采完成后構(gòu)筑物基礎(chǔ)下沉最大位移分別為118.5 mm和116 mm，傾斜變形0.125‰。在對(duì)γ=β=80°確定的范圍按常規(guī)設(shè)計(jì)留設(shè)煤柱開采完成后，構(gòu)筑物基礎(chǔ)下沉最大位移分別為130 mm和127 mm，傾斜變形0.08‰。

在移動(dòng)角γ=β=80°之前，位移隨移動(dòng)角的變化快速增大，在對(duì)γ=β=80°確定的范圍按留設(shè)礦柱開采時(shí)，位移按線性緩慢增大。因此，平緩煤層埋深為200 m時(shí)，煤層按常規(guī)設(shè)計(jì)留設(shè)礦柱開采對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行基本無影響。

2 傾斜煤層

結(jié)合場(chǎng)地傾斜煤層的產(chǎn)狀特征，以傾角25°的傾斜煤層為例，按移動(dòng)角γ=β=50°－80°情況進(jìn)行開采時(shí)，研究煤層開采對(duì)地表風(fēng)機(jī)塔位的影響，以便得出傾斜煤層不同埋深情況下合理的開采范圍和互不影響的開采深度建議值。

以埋深150 m為例建立的數(shù)值分析模型(X×Y×Z=530×50×450 m)。沿煤層傾向(X方向)、煤層走向方向(Y方向)和煤層埋深(Z方向)建立三維模型，煤層傾向方向X向位移約束，煤層走向方向Y向位移約束，豎直方向Z向位移約束，采用M－C準(zhǔn)則。

下山、上山方向基礎(chǔ)下沉最大位移(水平位移較小)隨移動(dòng)角的變化曲線如圖3所示，其位移皆在容許范圍之內(nèi)。

煤層埋深為50 m時(shí)，按移動(dòng)角γ=β=80°開采時(shí)構(gòu)筑物基礎(chǔ)下沉最大位移分別為12 mm和6.5 mm，傾斜變形 0.27‰;最大水平位移分別為6.5 mm 和 4.5 mm，水平變形 0.10‰。下沉位移和水平位移隨移動(dòng)角的增大較快速增大，變化特征較為一致，不均勻沉降較小。

煤層埋深為100 m時(shí)，按移動(dòng)角γ=β=80°開采時(shí)構(gòu)筑物基礎(chǔ)下沉最大位移分別為39 mm和32.6 mm，傾斜變形0.32‰;最大水平位移分別為15.9 mm 和 12.0 mm，水平變形 0.20‰。下沉和水平位移隨移動(dòng)角的增大較快速增大。

煤層埋深為150 m時(shí)，按移動(dòng)角γ=β=80°開采時(shí)構(gòu)筑物基礎(chǔ)下沉最大位移分別為71.8 mm和61.1 mm，傾斜變形0.54‰;最大水平位移分別為36.1 mm 和32.7 mm，水平變形 0.17‰。

煤層埋深為200 m時(shí)，按移動(dòng)角γ=β=80°開采時(shí)構(gòu)筑物基礎(chǔ)下沉最大位移分別為56 mm和53 mm，傾斜變形0.15‰;最大水平位移分別為10.6 mm和10.9 mm，水平變形0.015‰。在對(duì)γ=β=80°確定的范圍按常規(guī)設(shè)計(jì)留設(shè)煤柱開采完成后，構(gòu)筑物基礎(chǔ)下沉最大位移分別為63mm和60 mm，傾斜變形0.15‰;最大水平位移分別為10.4 mm和 11.2 mm，水平變形0.04‰。

在移動(dòng)角γ=β=80°之前，位移隨移動(dòng)角的變化快速增大，在對(duì)γ=β=80°確定的范圍按留設(shè)礦柱開采時(shí)，位移按線性緩慢增大。因此，煤層埋深200 m、傾角為25°的傾斜煤層按常規(guī)設(shè)計(jì)開采時(shí)對(duì)構(gòu)筑物正常運(yùn)行基本無影響。

3 急傾斜煤層

結(jié)合場(chǎng)地急傾斜煤層的產(chǎn)狀特征，以傾角55°的急傾斜煤層為例，按移動(dòng)角55°－80°進(jìn)行開采時(shí)，研究煤層開采對(duì)地表風(fēng)機(jī)塔位的影響，以便得出急傾斜煤層不同埋深情況下合理的開采范圍和互不影響的開采深度建議值。

以埋深150 m為例建立的數(shù)值分析模型(X×Y×Z=530×50×450 m)。沿煤層傾向(X方向)、煤層走向方向(Y方向)和煤層埋深(Z方向)建立三維模型，煤層傾向方向X向位移約束，煤層走向方向Y向位移約束，豎直方向Z向位移約束，采用M－C準(zhǔn)則。

下山、上山方向基礎(chǔ)下沉最大位移和水平位移隨移動(dòng)角的變化曲線如圖4和圖5所示，其位移皆在容許范圍之內(nèi)。

煤層埋深為50 m時(shí)，按移動(dòng)角γ=β=80°開采時(shí)構(gòu)筑物基礎(chǔ)下沉最大位移分別為8.39 mm和3.39 mm，傾斜變形0.25‰;最大水平位移分別為6.5 mm 和4.95 mm，水平變形 0.08‰。下沉位移和水平位移隨移動(dòng)角的增大較快速增大，變化特征較為一致，不均勻沉降較小。當(dāng)移動(dòng)角γ=β＞80°時(shí)，位移發(fā)生突變，且大于基礎(chǔ)沉降允許值。

煤層埋深為100 m時(shí)，按移動(dòng)角γ=β=80°開采時(shí)構(gòu)筑物基礎(chǔ)下沉最大位移分別為14.5 mm和12.3 mm，傾斜變形0.11‰;最大水平位移分別為8.41 mm 和 7.45 mm，水平變形 0.05‰。下沉位移和水平位移隨移動(dòng)角的增大較快速增大，變化特征較為一致，不均勻沉降較小。當(dāng)移動(dòng)角大于80°時(shí)，位移發(fā)生突變，且大于基礎(chǔ)沉降允許值。

煤層埋深為150 m時(shí)，按移動(dòng)角γ=β=80°開采時(shí)構(gòu)筑物基礎(chǔ)下沉最大位移分別為27.9 mm和25 mm，傾斜變形0.15‰;最大水平位移分別為14.6 mm 和 12.7 mm，水平變形 0.10‰。下沉位移和水平位移隨移動(dòng)角的增大較快速增大，變化特征較為一致，不均勻沉降較小。當(dāng)移動(dòng)角大于80°時(shí)，位移發(fā)生突變，且大于基礎(chǔ)沉降允許值。

煤層埋深為200 m時(shí)，按移動(dòng)角γ=β=80°開采時(shí)構(gòu)筑物基礎(chǔ)下沉最大位移分別為26 mm和25 mm，傾斜變形 0.05‰;最大水平位移分別為6.95 mm和6.30 mm，水平變形 0.033‰。

在對(duì)γ=β=80°確定的范圍按常規(guī)設(shè)計(jì)留設(shè)煤柱開采完成后，構(gòu)筑物基礎(chǔ)下沉最大位移分別為51 mm和46 mm，傾斜變形0.25‰;最大水平位移分別為 7.5 mm 和8.3 mm，水平變形0.04‰。

在移動(dòng)角γ=β=80°之前，位移隨移動(dòng)角的變化增大較快，在對(duì)γ=β=80°確定的范圍按留設(shè)礦柱開采時(shí)，位移仍按線性較快增長，但在容許變形范圍之內(nèi)。因此，煤層埋深200 m、傾角為55°的傾斜煤層按常規(guī)設(shè)計(jì)開采時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行影響很小。

4 結(jié)論

1)根據(jù)水平或緩傾斜煤層的計(jì)算分析，可推斷煤層的走向移動(dòng)角δ可提高到80°左右。

2)平緩(或緩傾斜，傾角5°)及傾斜(傾角25°)煤層在埋深150 m范圍內(nèi)，建議按移動(dòng)角γ=β=80°留設(shè)安全煤柱;在煤層埋深大于150 m時(shí)，按常規(guī)設(shè)計(jì)(如按設(shè)計(jì)預(yù)留礦柱、開采回填等)開采對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行基本無影響。

3)急傾斜(傾角55°)煤層在埋深200 m范圍內(nèi)，建議按移動(dòng)角γ=β=80°留設(shè)安全煤柱;在煤層埋深大于200 m時(shí)，按常規(guī)設(shè)計(jì)(如按設(shè)計(jì)預(yù)留礦柱、開采回填等)開采對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行影響很小。

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