基于UDEC的巖層與地表移動動態(tài)模擬研究

劉吉波，廉旭剛，戴華陽，楊國柱，劉 杰

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

基于UDEC的巖層與地表移動動態(tài)模擬研究

劉吉波，廉旭剛，戴華陽，楊國柱，劉 杰

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

以UDEC為研究平臺，討論了數(shù)值計算時的開挖模擬和迭代運算問題。通過計算實驗，提出并建立了以開采充分性和推進速度為變量的單元開采迭代次數(shù)的計算方法，分析了巖層性質(zhì)及工作面推進速度等因素對巖層及地表移動變形的影響規(guī)律，為巖層及地表動態(tài)移動變形的模擬計算提供了參考。

UDEC；巖層與地表移動；數(shù)值模擬；迭代次數(shù)；開挖模擬

數(shù)值模擬軟件是研究巖層移動規(guī)律的重要手段，很多學(xué)者應(yīng)用數(shù)值模擬軟件在開采沉陷領(lǐng)域進行了研究。楊天鴻等基于巖體滲流耦合及損傷分析系統(tǒng)，模擬了開采過程中覆巖動態(tài)破壞過程及應(yīng)力場和滲流場演化的過程，提出了巖層滲透性演化受到開采引起的應(yīng)力重新分配及覆巖損傷累積過程中結(jié)構(gòu)性破壞的分布特征[1]。唐春安應(yīng)用自主開發(fā)的巖石破壞分析系統(tǒng)RFPA2D，分析了采空區(qū)上覆巖層的移動變形規(guī)律，認(rèn)為RFPA2D巖層性質(zhì)、幾何條件、移動變形、破壞形態(tài)及支撐結(jié)構(gòu)等方面真實地模擬開采過程中巖層發(fā)生變形、離層、斷裂及地表下沉的規(guī)律[2]。李新強等分析了采空區(qū)上覆巖層內(nèi)部移動變形規(guī)律，提出了動態(tài)分析開采沉陷預(yù)計模型，揭示了四大控制巖體運動的要素：即推進速度、覆巖的移動演變、巖體和矸石的流變壓縮，并據(jù)此編制了專用的有限元分析軟件[3]。謝和平院士利用FLAC進行了煤礦開采沉陷預(yù)計，并將預(yù)計結(jié)果和概率積分法做了對比分析，揭示了使用FLAC可模擬真實開采地質(zhì)條件，指出時間因素與計算迭代次數(shù)有關(guān)，即計算步數(shù)與對應(yīng)的時間長度成正比，計算步數(shù)越大，模型形變越大[4-5]。

但目前對開采沉陷引起的動態(tài)巖層及地表移動的數(shù)值模擬預(yù)計方法研究仍不成熟，未提出基于時間影響的具體模型或方法。為此，本文對數(shù)值模擬迭代次數(shù)與開采充分度及推進速度的關(guān)系進行研究，建立計算勻速開采與非勻速開采時在不同開采充分程度下的地表動態(tài)預(yù)計模型；分析開采推進速度、巖層性質(zhì)對巖層及地表移動變形的動態(tài)影響過程。

1 瞬時開采巖層及地表移動的傳遞速度

煤礦開采是連續(xù)的推進過程，覆巖及地表移動隨著開采空間和時間變化。瞬時開采是假設(shè)在某一時間，采出特定區(qū)域的全部礦體，即將開采空間看作一常量，地表及覆巖的移動變形僅隨采后時間而變化，不受開采空間的影響。借助數(shù)值計算軟件可模擬實際生產(chǎn)中不存在的開采狀況，研究不同開采充分度時，覆巖及地表移動變形與開采破壞傳遞速度的關(guān)系。

假設(shè)采動破壞的傳遞速度與開采的充分程度(寬深比)有關(guān)，認(rèn)為地下煤層開采引起的移動變形傳至地表所需的數(shù)值模擬迭代次數(shù)為傳遞速度。為了驗證假設(shè)的正確性，進行了不同采深不同充分度條件下模型開采引起地表下沉10mm的模擬迭代次數(shù)統(tǒng)計實驗。通過表1分析可知，當(dāng)開采尺寸一定時，采深對迭代次數(shù)具有一定的影響，但與開采充分度相比，其影響較小。

表1 不同采深及開采充分度地表下沉10mm迭代次數(shù)

注：D為開采尺寸。

開采充分度的大小與數(shù)值模擬中計算步數(shù)成反比，即開采越充分，所需計算步數(shù)越少。開采充分度在開采沉陷的數(shù)值模擬中，起到了重要的作用。

分析上述瞬時開采數(shù)值模擬結(jié)果，同等程度的地表下沉，開采時步與開采充分程度有很大關(guān)系。動態(tài)預(yù)計模型的建立，需要考慮開采時步與開采充分度及推進速度的關(guān)系，從而構(gòu)建時間與開采尺寸影響的開采時步綜合計算公式。

2 動態(tài)預(yù)計模型建立與驗證分析

2.1 動態(tài)預(yù)計模型建立

模型建立的思想：基于瞬時開采巖層及地表移動的傳遞速度，以一定尺寸的開采距離為開采單元，建立單元開采后數(shù)值模擬迭代次數(shù)與開采充分度、推進速度的關(guān)系。在推進過程中，開采充分程度起主要作用，因此建立以開采充分度為主，推進速度為輔的迭代次數(shù)計算公式。

(1)

式中，ni為開采單元所需的迭代次數(shù)；A為模型平衡所需迭代次數(shù)；L/H0為推進距離與采深比值；v0為模型無速度影響中值，m/d；vi為開采單元的推進速度，m/d。

當(dāng)工作面停止后，迭代次數(shù)與時間成正比，具體計算公式為：

(2)

式中，Δn為工作面停采后Δt時間內(nèi)迭代次數(shù)；Δt為工作面停采后延續(xù)時間，d。

2.2 模型驗證分析

2.2.1 數(shù)值模型建立

應(yīng)用通用離散元數(shù)值模擬軟件(UDEC)，模型建立尺寸為4200m×750m。表2為模型的物理力學(xué)參數(shù)。地質(zhì)采礦條件：采深700m，松散層厚度400m，基巖厚度300m，采厚3m，煤層傾角0°。

表2 數(shù)值模擬物理力學(xué)參數(shù)

2.2.2 模擬結(jié)果與實測對比分析

開采單元距離為20m，工作面推進過程中，每個開采單元的迭代次數(shù)采用公式(1)計算，工作面停采后，僅時間因素對迭代次數(shù)有影響，因此利用公式(2)計算。圖1為數(shù)值模擬預(yù)計地表動態(tài)下沉曲線，圖2為地表動態(tài)預(yù)計水平移動曲線。通過對比分析，數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)比較吻合。

推進距離：1-500m;2-1000m；3-1500m；4-2000m；5-2600m圖1 數(shù)值模擬預(yù)計下沉與實測下沉對比

推進距離：1-500m;2-1000m；3-1500m；4-2000m；5-2600m圖2 數(shù)值模擬預(yù)計水平移動與實測水平移動對比

3 推進速度及巖性對模擬結(jié)果的影響

3.1 推進速度影響分析

3.1.1 地表動態(tài)移動變形規(guī)律

工作面推進過程中，引起上覆巖層的移動變形隨時間變化，推進速度的大小，直接影響巖層移動傳遞的時間。按照開采單元尺寸100m計算，通過分析勻速推進2m/d，10m/d地表動態(tài)下沉曲線(見圖3(a)和圖3(b))可知，隨著推進速度的增大，相同的開采空間，地表移動變形呈變小趨勢，巖層的移動時間較少，地表下沉不充分。開采速度較小時，巖層移動時間較長，其地表下沉較為充分。

推進距離：1-300m；2-600m；3-1100m；4-1700m；5-2600m圖3 不同勻速開采速度地表動態(tài)移動變形曲線

工作面的推進速度對地表動態(tài)水平移動(見圖3(c)和圖3(d))具有與下沉相似的規(guī)律，即水平移動量與推進速度成反比。

3.1.2 巖層動態(tài)移動變形規(guī)律

低速推進時，整個開采過程具有充足的時間將采空區(qū)的移動變形通過巖層傳遞至地表，而快速推進時，采區(qū)空間向上覆巖層傳遞的時間較短，采空區(qū)形成較大空間的趨勢加強，容易形成上覆巖層的整體下沉。低速推進覆巖移動變形更為充分。

快速推進形成的開采空間上覆巖層的整體性較強，應(yīng)力分布均勻，覆巖塊體跨度較大。低速推進形成的開采空間上覆巖層整體性較弱，應(yīng)力分布較為集中。

3.2 巖性影響分析

3.2.1 地表動態(tài)移動變形規(guī)律

通過改變巖石的物理力學(xué)參數(shù)研究不同軟硬程度巖性條件對移動變形的影響規(guī)律，如圖4所示。

推進距離：1-300m；2-600m；3-1100m；4-1700m；5-2600m圖4 不同巖性地表動態(tài)移動變形曲線

圖4(a)和圖4(b)分別為堅硬巖性和軟弱巖性地表動態(tài)下沉曲線。硬巖條件下，非充分階段下沉較小，充分及超充分階段形成整體幅度下沉，當(dāng)巖性偏軟時，地表下沉盆地整體較為充分，下沉幅度明顯大于巖性偏硬模型。

圖4(c)和圖4(d)分別為堅硬巖性和軟弱巖性地表動態(tài)水平移動曲線，巖性偏硬時，地表水平移動減小，巖性較軟時，地表水平移動增加。

3.2.2 巖層動態(tài)移動變形規(guī)律

軟巖條件下，覆巖豎向移動具有與低速推進相似的現(xiàn)象，豎向位移傳遞速度快；硬巖條件下，累計開采空間區(qū)域較大，造成上覆巖層整體移動。

軟巖條件下，采空區(qū)上方的覆巖垮落較快，應(yīng)力分布集中，而硬巖條件，采空區(qū)易累計形成較大的區(qū)域，上覆巖層整體性較強，應(yīng)力分布均勻。

4 結(jié)論

(2)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，推進速度和巖性對地表移動變形大小及分布形態(tài)均具有顯著影響。推進速度較小或覆巖巖性較軟時，地表容易達到靜態(tài)移動變形最大值，反之則不易達到。

(3)數(shù)值計算分析表明，推進速度較快或巖性較硬時，采空區(qū)上覆巖層塊體跨度較大，應(yīng)力分布均勻，覆巖整體移動性較強；而當(dāng)推進速度較慢或巖性較軟時，地表下沉整體較為充分，下沉幅度大于巖性偏硬模型。

[1]楊天鴻，趙興東，冷雪峰，等.地下開挖引起圍巖破壞及其滲透性演化過程仿真[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22(S1)：2386-2389.

[2]唐春安，徐曾和，徐小荷.巖石破裂過程分析RFPA2D系統(tǒng)在采場上覆巖層移動規(guī)律研究中的應(yīng)用[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，1999，21(5)：456-458.

[3]李新強，高延法，張慶松.開采沉陷動態(tài)數(shù)值仿真研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(1)：86-90.

[4]謝和平，周宏偉，王金安，等.煤礦開采沉陷的巖石力學(xué)數(shù)值模擬預(yù)計方法[A].中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會第五屆學(xué)術(shù)大會[C].上海，1998.

[5]謝和平，周宏偉，王金安，等.FLAC在煤礦開采沉陷預(yù)測中的應(yīng)用及對比分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1999，18(4)：29-33.

[責(zé)任編輯：王興庫]

Dynamical Simulation of Rock Strata and Surface Movement Based on UDEC

LIU Ji-bo, LIAN Xu-gang, DAI Hua-yang, YANG Guo-zhu, LIU Jie

(Earth Science & Surveying Engineering School, China University of Mining & Technology (Beijing), Beijing 100083, China)

Mining simulation and iteration calculation in numerical simulation was discussed based on UDEC software.A calculation method of zone mining iterations was put forward which took mining sufficiency and mining speed as variables.By this method, the influence rule of rock properties and mining speed on rock and surface movement and deformation were analyzed, which provided reference for simulation and calculation of rock and surface dynamic movement and deformation.

UDEC; rock and surface movement; numerical simulation; iteration number; excavation simulation

2014-03-28

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.03.030

博士學(xué)科點專項科研基金項目(20110023110014)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助(2009YD05，2010QD01)

劉吉波(1975-)，男，山東招遠人，博士研究生，從事開采沉陷、變形監(jiān)測等方面的研究與應(yīng)用。

劉吉波，廉旭剛，戴華陽，等.基于UDEC的巖層與地表移動動態(tài)模擬研究[J].煤礦開采，2014，19(3)：104-107.

TD325

A

1006-6225(2014)03-0104-04