地下采煤地表沉陷規(guī)律數(shù)值模擬研究

韓東赟， 譚榮建

(昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南昆明 650093)

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地下采煤地表沉陷規(guī)律數(shù)值模擬研究

韓東赟， 譚榮建

(昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南昆明 650093)

摘要為了研究煤層開采對(duì)地表的影響及變形規(guī)律，以柳樹溝煤礦一采區(qū)的113001工作面為研究背景，利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立模型，選取合適的參數(shù)，對(duì)該工作面的開采沉陷進(jìn)行模擬，生成地表下沉曲線、水平移動(dòng)曲線，通過對(duì)下沉曲線和水平移動(dòng)曲線的對(duì)比分析，得出柳樹溝煤礦一采區(qū)113001工作面開采地表移動(dòng)變形規(guī)律。總體來說，由于煤層埋藏較深，開采厚度不大，其直接頂板巖層冒落巖塊體積膨脹，所以不會(huì)造成該工作面采煤完成后出現(xiàn)大規(guī)模的地表沉降。

關(guān)鍵詞開采沉陷；FLAC3D；地表變形；數(shù)值模擬

Numerical Simulation Study on the Laws of Surface Subsidence in Underground Mining

HAN Dong-yun, TAN Rong-jian (Faculty of Land Resource Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming, Yunnan 650093)

Abstract To study the effects and deformation regularity of coal seam mining on surface, taking 113001 working face of the first district in Liushugou mine as research background, using numerical simulation software FLAC3Dto establish model, selecting appropriate parameters, the mining subsidence of the working surface was simulated, surface sinking curve and horizontal displacement curve were generated. Through the contrast analysis between the curves, basic laws of the surface deformation caused by coal mining were obtained. In general, due to deep buried coal sean and small mining thickness, the volume of roof caving rock mass increased large scale surface subsidence caused by coal mining could not occur.

Key wordsMining subsidence; FLAC3D; Ground deformation; Numerical simulation

地下礦層開采后，采空區(qū)周圍巖層的應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，應(yīng)力重新分布，達(dá)到新的平衡，在此過程中，使巖層和地表產(chǎn)生連續(xù)的移動(dòng)、變形和非連續(xù)的破壞(開裂、冒落等)，這種現(xiàn)象稱為“開采沉陷”。若地下開采的范圍較小、開采的礦物的埋藏深度較大，則開采沉陷波及的范圍往往只局限于開采區(qū)域周圍的巖體；若開采范圍較大、開采礦物的埋藏深度較小，則開采沉陷波及的范圍就會(huì)從巖體發(fā)展到地表，引起地表移動(dòng)[1-2]。煤礦的大規(guī)模開采，既給人類帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，也對(duì)人類生存環(huán)境帶來了一系列消極的影響，開采沉陷會(huì)導(dǎo)致地表耕地受到損毀；平原地區(qū)大片地表移動(dòng)盆地積水；地表水系遭到破壞，影響居民生活用水和農(nóng)田灌溉用水；使地表建筑物、鐵路、公路等生產(chǎn)生活設(shè)施遭到破壞，影響人們的生命財(cái)產(chǎn)安全[1-2]。因此，研究開采沉陷具有非常重要的意義。

對(duì)于開采沉陷的理論預(yù)測(cè)，國(guó)內(nèi)外專家提出了多種方案，我國(guó)經(jīng)過40多年的研究和實(shí)踐，開采沉陷研究逐漸成熟。目前，比較常用的地表移動(dòng)變形計(jì)算方法有概率積分法、負(fù)指數(shù)函數(shù)法、威布爾函數(shù)法和典型曲線法等，其中概率積分法具有參數(shù)容易確定、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在各礦區(qū)使用比較廣泛，是最常用的方法，但概率積分法不能有效表現(xiàn)地層內(nèi)部巖體的移動(dòng)變形情況[3-4]。筆者采用FLAC3D數(shù)值模軟件對(duì)宣威市文興鄉(xiāng)柳樹溝煤礦一采區(qū)113001采煤工作面進(jìn)行開采沉陷模擬，為治理該地區(qū)地表沉陷提供理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況

柳樹溝煤礦位于云南省宣威市35°方位，平距47 km，地處宣威市文興鄉(xiāng)境內(nèi)。礦井主要可采煤層為C30煤層，煤層位于宣威組第一段第一亞段(P2x1-1)中下部，下距峨眉山組玄武巖約8 m。煤層傾向北西，傾角8°～9°，屬緩傾斜煤層。煤層厚1.75～2.38 m，平均厚2.06 m，結(jié)構(gòu)單一，一般不含夾矸。煤層頂板巖性主要為細(xì)砂巖，局部為粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，底板巖性主要為粉砂巖，局部為泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖。C30煤層在礦區(qū)層位及厚度均穩(wěn)定，屬穩(wěn)定的中厚煤層。礦山開采方式為地下開采，采用斜井開拓；采煤方法采用長(zhǎng)壁式采煤法，后退式回采，一次采全厚；采用全部垮落法管理頂板，礦井投產(chǎn)時(shí)一采區(qū)的113001工作面長(zhǎng)度為80 m，回采工作面推進(jìn)495 m。

2模型建立及數(shù)值計(jì)算

2.1FLAC3D簡(jiǎn)介FLAC3D是美國(guó)ITASCA咨詢集團(tuán)公司開發(fā)的三維快速快速拉格朗日分析程序，該程序能較好地模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動(dòng)的力學(xué)特性，特別適用于分析漸進(jìn)破壞失穩(wěn)以及模擬大變形。目前，F(xiàn)LAC3D已廣泛應(yīng)用于巖土工程、采礦工程、隧道工程、道路與鐵路工程等領(lǐng)域的科學(xué)研究中[5-7]。

2.2主要地層礦區(qū)出露的地層從老至新分為二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組(P2β)、二疊系上統(tǒng)宣威組(P2x)、第四系(Q)。峨嵋山玄武巖組(P2β)巖性主要為灰、深灰色、灰綠色、黑綠色致密塊狀玄武巖，厚度大于50 m。宣威組第一段第一亞段(P2x1-1)底部為淺灰色、灰色薄層狀泥質(zhì)粉砂巖、含凝灰質(zhì)泥巖；中下部為C30煤層，煤層厚1.75～2.38 m，平均厚2.06 m；中上部為淺灰色中厚至厚層狀凝灰?guī)r屑，玄武巖屑砂礫巖、砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖、泥巖和煤線。宣威組第一段第二亞段(P2x1-2)底部為灰綠色中厚層狀細(xì)粒玄武巖屑砂巖；中上部為灰色薄層狀菱鐵質(zhì)粉砂巖、細(xì)粒玄武巖屑砂巖與泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、薄煤呈不等厚互層。第四系(Q)巖性為殘坡積物、沖、洪積物及耕植土，結(jié)構(gòu)松散。

2.3模型建立采用采礦工程運(yùn)用FLAC3D解決問題時(shí)常用的單元類型矩形建模。為了消除開挖時(shí)模型邊界效應(yīng)的影響，模型建立盡量大些。模型選取沿煤層走向?yàn)閅軸方向，長(zhǎng)度取800 m；煤層傾向?yàn)閄軸方向，長(zhǎng)度取300 m；鉛垂方向?yàn)閆軸方向，高度為187 m。模型共計(jì)33 600個(gè)網(wǎng)格和37 023個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型的煤層厚2.06 m，工作面沿煤層傾向布置，即在模型中沿X軸方向布置[8-11]。建立的初始模型見圖1。

圖1　 FLAC3D建立的模型Fig. 1　Model constructed with FLAC3D software

2.4本構(gòu)模型及主要力學(xué)參數(shù)本構(gòu)模型是對(duì)巖土材料力學(xué)性質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)性描述，表達(dá)的是外載條件下巖體、土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，因此，本構(gòu)模型的選擇是數(shù)值模擬的一個(gè)關(guān)鍵性步驟。摩爾-庫倫模型代表的材料類型為松散或膠結(jié)的粒狀材料，如土體、巖石、混凝土，為巖土力學(xué)通用模型，在邊坡穩(wěn)定和地下開挖中應(yīng)用廣泛。故此次數(shù)值計(jì)算的本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則。選擇計(jì)算模型本構(gòu)關(guān)系后，需確定模擬計(jì)算的各巖層的主要力學(xué)參數(shù)，包括體積模量、剪切模量和內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度。此次模擬計(jì)算所用的基本力學(xué)參數(shù)根據(jù)礦井地質(zhì)勘探資料提供的地質(zhì)柱狀圖、生產(chǎn)地質(zhì)報(bào)告巖石力學(xué)化驗(yàn)成果及相關(guān)文獻(xiàn)給出的力學(xué)參數(shù)綜合確定，具體見表1。

2.5確定邊界條件及初始應(yīng)力狀態(tài)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)模型的分析和研究，研究范圍內(nèi)的煤巖體系處于一個(gè)無窮大地殼平面內(nèi)，在其邊界處由于鄰近地層的作用，其變形可認(rèn)為是0。因此對(duì)模型邊界變形的設(shè)定情況為X軸正負(fù)兩個(gè)方向上約束為0，Y軸正負(fù)兩個(gè)方向上約束為0，Z軸負(fù)方向上約束為0，Z在正方向上可自由變形。由于實(shí)際工程模型處于重力場(chǎng)中，所以在模型進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，施加重力場(chǎng)作用，重力加速度為9.8 m/s2。

表1　各巖層力學(xué)參數(shù)

2.6求解及開挖模擬該案例通過監(jiān)控點(diǎn)(150，400，187)在Z軸方向的位移迭代變化和模型中最大不平衡力來判斷模型是否達(dá)到平衡狀態(tài)。達(dá)到平衡狀態(tài)后進(jìn)行開挖，工作面長(zhǎng)80 m (即X軸方向上110～190 m之間)，沿煤層走向開挖，從模型Y軸方向150 m處開始，到模型Y方向645 m結(jié)束，每步開挖100 m，一共開挖5次。

3模擬結(jié)果分析

通過三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC3D，計(jì)算位移場(chǎng)分布特征，獲得其位移等值線云圖，開挖后的位移變形見圖2～4。煤層采出后，底板在水平方向受壓，在垂直方向上減壓，造成底板向采空區(qū)方向隆起；其直接頂板巖層由于失去支撐而破碎、冒落、堆積在采空區(qū)，由于冒落巖塊體積膨脹，冒落帶達(dá)到一定程度后自行終止，經(jīng)過一定的沉降變形，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。隨著回采工作面的不斷推進(jìn)，地表下沉盆地在地表的影響范圍不斷擴(kuò)大，下沉盆地呈碗狀。

圖2　回采工作面推進(jìn)495 m沉降云圖Fig.2　Advancing 495 m settlement cloud image of working face

圖3　回采工作面推進(jìn)495 m沿X軸方向位移云圖Fig.3　Advancing 495m along X axis direction displacement cloud of mining face

圖4　回采工作面推進(jìn)495 m沿Y軸方向位移云圖Fig.4　Advancing 495m along Y axis direction displacement cloud of mining face

為了探究煤層開采時(shí)地表移動(dòng)變形規(guī)律，模型計(jì)算結(jié)束后采用一種FLAC3D常用的后處理方法，利用“print”輸出命令配合log文件記錄的方式對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步處理，提取某些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的變形值，運(yùn)用Excel繪制沉降曲線和水平移動(dòng)曲線。在未設(shè)置歷史監(jiān)測(cè)變量的情況下，可通過手動(dòng)查找的方式找出關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的ID。該研究在模型地表中心，沿傾向和走向布置兩條觀測(cè)線，傾向觀測(cè)線每隔15 m布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)21個(gè)；走向觀測(cè)線每隔20 m布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)41個(gè)[12-13]。

3.1傾向觀測(cè)線上地表移動(dòng)傾向觀測(cè)線上的地表移動(dòng)情況見圖5和圖6。由圖5并結(jié)合圖2可知，在傾向觀測(cè)線上，地表下沉量最大值出現(xiàn)在觀測(cè)線的中心處，遠(yuǎn)離觀測(cè)線中心，地表下沉量逐漸減小。當(dāng)回采工作面推進(jìn)100 m時(shí)，煤層開采對(duì)地表基本沒有影響，回采工作面推進(jìn)到200 m時(shí)，地表最大下沉量增加到5 mm，隨著回采工作面的推進(jìn)，地表下沉量顯著增加，下沉速度逐漸加快。煤層開采完后，地表最大下沉量達(dá)24.8 mm。

由圖6及圖3可知，地表水平移動(dòng)量分為兩個(gè)區(qū)段，正值表示測(cè)點(diǎn)向礦層的上山方向移動(dòng)，負(fù)值表示測(cè)點(diǎn)向礦層的下山方向移動(dòng)，這是由于以下山方向的觀測(cè)線控制點(diǎn)作為計(jì)算的起始點(diǎn)這一規(guī)定引起的。水平移動(dòng)發(fā)生在盆地的邊緣區(qū)，指向盆地的中心，由于傾角的影響，下山方向一側(cè)的水平移動(dòng)量與上山方向一側(cè)的水平移動(dòng)量不對(duì)稱，下山方向一側(cè)的水平移動(dòng)量大于上山方向一側(cè)的水平移動(dòng)量。在正水平移動(dòng)區(qū)，在煤柱邊緣處水平變形量達(dá)到最大值，向兩側(cè)逐漸減小，向右側(cè)在地表最大下沉處水平移動(dòng)量為0；在負(fù)水平移動(dòng)區(qū)，煤柱邊緣處水平移動(dòng)量達(dá)最大值，兩側(cè)逐漸減小，向左側(cè)在地表最大下沉處水平移動(dòng)量為0。隨著工作面的推進(jìn)，地表水平移動(dòng)量變化的特點(diǎn)保持不變，只是最大水平移動(dòng)量在增加。

圖5　傾向觀測(cè)線上地表下沉曲線Fig.5　Surface subsidence curve of inclination observation line

圖6　傾向觀測(cè)線上地表水平移動(dòng)曲線Fig.6　Surface horizontal movement curve of inclination observation line

3.2走向觀測(cè)線上地表移動(dòng)走向觀測(cè)線上的地表移動(dòng)情況見圖7和圖8。由圖7可知，在走向觀測(cè)線上，地表最大下沉量出現(xiàn)在采空區(qū)上方中心處，地表下沉盆地的范圍和最大下沉量隨著回采工作面的推進(jìn)而增大。當(dāng)回采工作面推進(jìn)100 m時(shí)，對(duì)地表的下沉影響較?。划?dāng)回采工作面推進(jìn)到495 m時(shí)，地表最大下沉量達(dá)24.8 mm，在最大下沉值處的兩側(cè)下沉量逐漸減小。隨著煤層的開挖，地表下沉速度逐漸增大，當(dāng)回采工作面推進(jìn)到一定距離時(shí)，下沉速度逐漸減小。

圖7　走向觀測(cè)線上地表下沉曲線Fig.7 Surface subsidence curve of the observation line

由圖8可知，走向觀測(cè)線上的地表水平移動(dòng)量也分2個(gè)區(qū)段，在開切眼側(cè)的正水平移動(dòng)區(qū)和在停采線側(cè)的負(fù)水平移動(dòng)區(qū)。采空區(qū)上方的地表水平移動(dòng)量零點(diǎn)處對(duì)應(yīng)地表最大下沉值處，隨著回采工作面推進(jìn)，地表水平移動(dòng)0點(diǎn)向停采線方向移動(dòng)?；夭晒ぷ髅嫱七M(jìn)100 m時(shí)，對(duì)地表水平移動(dòng)影響較小，隨著回采工作面的繼續(xù)推進(jìn)，地表水平移動(dòng)量逐漸變化，最大水平移動(dòng)量增加。

圖8　走向觀測(cè)線上地表水平移動(dòng)曲線Fig.8　Surface horizontal movement curve of the observation line

4結(jié)語

該研究采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件模擬柳樹溝煤礦一采區(qū)113001采煤工作面開采對(duì)地表變形的影響，結(jié)果表明：隨著回采工作面的不斷推進(jìn)，地表下沉盆地在地表的影響范圍不斷擴(kuò)大，下沉盆地呈碗狀。當(dāng)C30煤層回采完后，地表最大沉降值為24.8 mm，最大值發(fā)生在采空區(qū)上方地表略偏向傾向方向，但由于傾角比較小，這種趨勢(shì)不是特別明顯；從傾向方向地表水平位移看，下山方向位移最大值為-9.7 mm，上山方向位移最大值為7.8 mm，可以看出在傾向方向水平位移不對(duì)稱，下山方向大于上山方向。走向方向地表水平位移正最大值為8.4 mm，負(fù)移最大值為-8.3 mm，正負(fù)位移基本上呈對(duì)稱分布?？傮w來說，由于煤層埋藏較深，開采厚度不大，其直接頂板巖層冒落巖塊體積膨脹，所以柳樹溝煤礦一采區(qū)113001工作面采煤完成后不會(huì)造成大規(guī)模的地表沉降。

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收稿日期2015-12-28

作者簡(jiǎn)介韓東赟(1990- )，女，云南紅河人，碩士研究生，研究方向：土地整治、礦區(qū)土地復(fù)墾、地表沉陷。

中圖分類號(hào)S 289；TD 82

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2016)03-243-04