地表殘余沉陷變形機理數(shù)值模擬與預(yù)計參數(shù)分析

易四海

(中煤科工集團 唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

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地表殘余沉陷變形機理數(shù)值模擬與預(yù)計參數(shù)分析

易四海

(中煤科工集團 唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

[摘要]采用數(shù)值模擬計算，通過對覆巖移動過程的模擬研究，指出了地表沉陷由巖體變形破壞到巖體密實沉陷的發(fā)展過程，揭示了巖體密實沉陷延續(xù)是引起地表殘余沉陷變形的機理；通過對巖體密實階段地表沉陷分布規(guī)律的模擬研究，證實地表殘余變形可以用概率積分法進行預(yù)計。根據(jù)數(shù)值模擬及現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，確定了長壁開采條件下地表殘余沉陷變形的概率積分法預(yù)計參數(shù)。

[關(guān)鍵詞]殘余沉陷變形；數(shù)值模擬；沉陷過程；預(yù)計參數(shù)；長壁開采

開采沉陷延續(xù)時間較長，地表將在很長時間內(nèi)存在殘余沉陷變形，對采煤塌陷區(qū)地表新建建(構(gòu))筑物產(chǎn)生不利影響。因此，了解和掌握采煤塌陷區(qū)地表殘余沉陷規(guī)律十分重要。但是，限于采煤塌陷區(qū)地表殘余沉陷延續(xù)時間長、數(shù)值較小，一般難以用實測方法掌握其全部發(fā)展規(guī)律。目前，對采煤塌陷區(qū)地表殘余沉陷變形的預(yù)測已有了一些研究[1-3]，對采煤塌陷區(qū)建設(shè)利用具有一定的指導(dǎo)意義，但在對殘余沉陷變形預(yù)測參數(shù)取值時大多憑經(jīng)驗，缺乏足夠的理論支持，給采煤塌陷區(qū)地表建筑帶來了一定的安全隱患。

為此，本文采用數(shù)值模擬計算，研究覆巖移動過程及地表殘余沉陷變形的分布規(guī)律，依據(jù)實測數(shù)據(jù)建立地表殘余沉陷變形的預(yù)計方法并確定相關(guān)參數(shù)，為采煤塌陷區(qū)地表安全利用提供理論依據(jù)。

1采煤沉陷數(shù)值模擬

采用離散元法進行模擬試驗。試驗設(shè)計煤層采厚M=3.0m，采寬L=125m，傾角α=0°，采深H0=100m，松散層厚度Hs=20m，基巖厚度Hj=80m，基巖由砂巖、泥巖和砂質(zhì)泥巖等巖性組成。圖1為數(shù)值計算模型網(wǎng)格剖分圖。

圖1　數(shù)值計算模型剖分

1.1地表沉陷過程

地下煤層采出后引起的地表沉陷是一個時間和空間過程。由于地表沉陷孕育與發(fā)展過程非常復(fù)雜，許多學(xué)者從不同的角度對其進行了研究[4-6]，這些研究多從地表點的移動量及劇烈程度的角度進行描述。而實際上，地表移動是巖層移動的延伸和表象，巖層移動是發(fā)生在巖體內(nèi)部的力學(xué)現(xiàn)象，只有從巖層移動的角度來研究地表沉陷過程才能真實揭示巖層與地表移動的機理與規(guī)律。

圖2為數(shù)值模擬采空區(qū)上方不同高度巖層內(nèi)測點從開采至沉陷穩(wěn)定時的下沉量變化曲線。該曲線簇可解讀為巖層內(nèi)測點下沉量隨時間的變化。由圖2可以看出，上覆巖體在開采之初，巖體下沉迅速，經(jīng)過一段時間后，巖體下沉變化趨緩，直至沉陷最終收斂于某一最大固定值。表1統(tǒng)計了工作面開采至計算結(jié)束覆巖的下沉量及下沉增量。根據(jù)覆巖下沉量及下沉增量，從巖層移動的角度，可以將采動沉陷過程分為3個階段。

表1　采動過程中覆巖下沉量及下沉增量

注：ΔH為巖層距煤層頂板高度，m；W為下沉量；ΔW為下沉增量。

圖2　巖層內(nèi)測點下沉量隨時間變化曲線

前一階段為煤層開采至停采之初(大致為0～6個監(jiān)測時間步)，該階段覆巖沉陷量迅速增大，如采空區(qū)上方20m巖層下沉由開始的0mm增至5.5個時間步時的486.5mm，到第6個時間步時則迅速增至1530.6mm；開采沉陷在向地表傳播的過程中，覆巖沉陷增量自下往上遞減，至地表時值最小，如采空區(qū)上方20m，40m，60m，80m，100m巖層沉陷量從5.5至6個時間步時分別增加了1044m，1040m，1008.7m，988.9m，20.9m，增加值由下往上遞減。究其原因是因為此階段覆巖在一系列復(fù)雜的受力變形時空變化后，在豎向上形成明顯的“三帶”(垮落帶、斷裂帶和彎曲帶)破壞特征[7-8]，“三帶”覆巖內(nèi)產(chǎn)生大量新生空間(空洞、裂縫、離層)，使得覆巖移動在向地表傳播的過程中出現(xiàn)衰減。從力學(xué)機理上講，該階段地表沉陷來源于煤層開采致上覆巖體力學(xué)失穩(wěn)，覆巖相繼發(fā)生一系列變形破壞(冒落、斷裂、彎曲)引起的。因此，可定義該階段為巖體變形破壞階段。

后一階段為工作面停采一段時間后(大致為9個監(jiān)測時間步之后)，該階段覆巖沉陷量緩慢增加，如采空區(qū)上方20m巖層下沉由10至12.2個時間步時只增加了0.2mm；開采沉陷在向地表傳播的過程中，覆巖沉陷增量則由下至上累積增加，如采空區(qū)上方20m，40m，60m，80m，100m巖層沉陷量從10至12.2個時間步時分別增加了0.2m，0.6m，1.1m，1.8m，10.1m，增加值由下往上遞增。這是因為此階段覆巖內(nèi)殘留的空洞、離層、裂縫等空隙逐漸被壓實，覆巖移動是由覆巖內(nèi)殘留的空洞、裂縫、離層等空隙再壓實引起的[9]。從力學(xué)機理上講，該階段地表沉陷主要是由于上覆巖體應(yīng)力重新得到恢復(fù)，巖層在上覆荷載作用下巖體逐漸密實后產(chǎn)生的。因此，可定義該階段為巖體密實沉陷階段。

中間階段大致在6～9個監(jiān)測時間步，此階段覆巖移動雖然依舊發(fā)育，但明顯由劇烈變緩慢，下沉速度衰減很快。此階段，覆巖應(yīng)力由卸載狀態(tài)逐漸向自然重力恒載狀態(tài)恢復(fù)，在豎直方向上覆巖移動是由變形破壞和密實混合產(chǎn)生的，為巖體變形破壞到巖體密實沉陷的過渡階段。

根據(jù)“三下”采煤規(guī)程[9]定義，地表殘余沉陷為地表在“移動期結(jié)束”后還將可能產(chǎn)生的少量殘余下沉和變形值。地表的殘余沉陷階段下沉速度緩慢，巖體應(yīng)力應(yīng)恢復(fù)至自然重力恒載狀態(tài)，殘余沉陷變形主要由巖體在自然重力恒載狀態(tài)密實引起，數(shù)值模擬反映的覆巖移動過程可以看出，地表殘余沉陷是巖體密實沉陷延續(xù)在地表的一種顯現(xiàn)。

1.2巖體密實沉陷階段地表沉陷變形分布規(guī)律

為更好體現(xiàn)采空區(qū)破裂巖體的密實效果，在模擬工作面開采計算達到平衡狀態(tài)后，對地表進行了均布加載，模擬地表建筑荷載，荷載大小為18 kN/m，范圍為整個上部自由邊界。

圖3為數(shù)值模擬在均布加載作用下采空區(qū)覆巖下沉云圖。由圖3可以看出，在豎直方向上，采空區(qū)上覆破碎巖體內(nèi)殘留空隙由于在均布加載作用下進一步密實，巖體沉陷量由下至上累積增加，至地表值最大；在水平方向上，覆巖移動量整體符合“中間大，兩側(cè)邊緣小”的特點，這是由于采空區(qū)上方覆巖移動量主要是由荷載作用下的空隙再壓實引起的；煤柱上方覆巖移動量則是由荷載作用下巖層的壓縮引起的。但在采空區(qū)上方地表，邊緣附近移動量明顯比其他區(qū)域要大，這主要是由于采空區(qū)邊緣附近存在較多的空洞。

圖3　均布加載作用下采空區(qū)覆巖下沉

圖4為在均布加載作用下采空區(qū)上方地表移動及擬合曲線。由圖4可以看出，采空區(qū)在地表均布加載作用下，地表下沉分布仍為中部下沉量大、兩側(cè)邊緣下沉小的盆形特點，只在采空區(qū)邊緣附近下沉量比采空區(qū)中央大，但整體符合正態(tài)分布。概率積分法的擬合結(jié)果為：擬合下沉系數(shù)0.14，擬合的最大下沉值比模擬的值偏大；擬合水平移動系數(shù)0.25，擬合的最大水平移動值比模擬的值大；擬合主要影響角正切為1.5，值偏?。还拯c偏移距為0.05倍采深，外偏。擬合結(jié)果證明概率積分法總體上能夠較好擬合地表移動曲線，大體上反映了巖體密實沉陷階段地表移動與變形的分布情況。

圖4　均布加載作用下采空區(qū)上方地表移動曲線

2地表殘余沉陷計算參數(shù)分析

地表殘余變形作為巖體密實沉陷延續(xù)在地表的顯現(xiàn)，可以用概率積分法進行預(yù)計，再綜合考慮各種因素，確定長壁開采條件下地表殘余沉陷計算參數(shù)。

(1)殘余下沉系數(shù)qr大量現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)表明，對于長壁工作面正規(guī)大面積開采而言，殘余下沉系數(shù)主要與開采結(jié)束后延續(xù)時間密切相關(guān)，工作面停采時間越長，其剩余的殘余沉陷量越小。殘余下沉系數(shù)與時間的關(guān)系也體現(xiàn)了地表殘余變形的時間發(fā)育規(guī)律。

模型試驗、實測數(shù)據(jù)表明，殘余下沉系數(shù)與開采結(jié)束后延續(xù)時間成負指數(shù)函數(shù)關(guān)系遞減，其擬合公式可表示為：

qr(t)=a·e-bt

(1)

式中，a為地表最終殘余下沉系數(shù)；b為地表殘余下沉收斂系數(shù)。

目前，大多數(shù)學(xué)者[9,11-12]對其擬合多取工作面停采后的實測數(shù)據(jù)，致使a，b取值相差懸殊，不具備推廣應(yīng)用價值。究其原因，主要是未從機理上認清地表殘余沉陷變形的沉陷本質(zhì)，將時間參數(shù)t設(shè)定為工作面停采時間，擬合數(shù)據(jù)包含了巖體變形破壞及過渡階段的地表沉陷實測數(shù)據(jù)。而實際上，地表殘余沉陷變形是巖體密實沉陷延續(xù)在地表的一種顯現(xiàn)，在對地表移動有限時間段內(nèi)實測數(shù)據(jù)進行地表殘余變形概率積分法擬合求參時，應(yīng)剔除掉地表沉陷進入巖體密實沉陷階段之前的偽數(shù)據(jù)。時間參數(shù)t應(yīng)從地表沉陷進入巖體密實沉陷階段算起更為合適，即：

qr(t)=a·e-b(t-t0)

(2)

式中，t0為工作面停采至地表沉陷進入巖體密實沉陷階段的時間，a。

(2)拐點偏移系數(shù)S/H采空區(qū)開采結(jié)束后，采空區(qū)邊界煤壁附近存在大量的空洞、裂隙及頂板形成懸臂結(jié)構(gòu)，致使開采后地表移動基本穩(wěn)定時的下沉曲線拐點位于采空區(qū)內(nèi)側(cè)一定距離，這就是拐點偏距，用拐點偏移系數(shù)S/H反映。據(jù)“三下”采煤規(guī)程，當覆巖類型分別為堅硬、中硬、軟弱時，開采基本穩(wěn)定的S/H取值分別為0.31～0.43，0.08～0.30，0～0.07。

隨著開采后結(jié)束時間的延長，采空區(qū)邊界的空洞、裂隙及頂板懸臂結(jié)構(gòu)在自重荷載作用下會逐漸壓密，產(chǎn)生地表殘余沉陷變形。因此，計算采空區(qū)地表殘余沉陷時的拐點偏移系數(shù)可參照基本穩(wěn)定時的參數(shù)稍微取小。

(3)主要影響角正切tanβ殘余沉陷時的主要影響角正切tanβ不隨開采結(jié)束后時間的延長而變化，其取值參照常規(guī)沉陷變形的tanβ。據(jù)“三下”采煤規(guī)程，當覆巖類型分別為堅硬、中硬、軟弱時開采基本穩(wěn)定的tanβ取值分別為1.2～1.91，1.92～2.40，2.41～3.54。

(4)水平移動系數(shù)b殘余沉陷時水平移動系數(shù)b取值參照常規(guī)沉陷變形的b的取值。據(jù)“三下”采煤規(guī)程，地表開采基本穩(wěn)定時b為0.2～0.3。

(5)開采影響傳播角θ殘余沉陷時的開采影響傳播角θ取值參照常規(guī)沉陷變形的θ值。據(jù)“三下”采煤規(guī)程，θ=90°-kα(α為煤層傾角)，當覆巖類型分別為堅硬、中硬、軟弱時的0.7～0.8，0.6～0.7，0.5～0.6。

3實例

山西某礦長壁綜放工作面，煤層采厚平均為6.5m，傾角3°左右，采深平均為316m，采寬248m，推進長度約1750m。圖5為綜放工作面停采后實測的走向觀測線地表下沉增量圖。

圖5　停采后實測走向觀測線地表下沉增量

由圖5可以看出，在工作面停采后的頭幾個月，地表下沉呈現(xiàn)量大且劇烈的特點，這主要是新開采空間引起巖體變形破壞后在地表的顯現(xiàn)；至工作面停采約0.43a后，地表下沉呈現(xiàn)量小且緩慢的特點，可以看作是巖體在應(yīng)力平衡后逐漸密實在地表的顯現(xiàn)。實測數(shù)據(jù)表明，綜放開采工作面地表沉

陷過程大致在工作面停采后0.43a由巖體變形破壞階段過渡到巖體密實沉陷階段，而該工作面穩(wěn)沉?xí)r間實測為7個月。因此，根據(jù)不同階段地表的移動顯現(xiàn)特征，并結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，可以初步認定地表沉陷進入巖密實沉陷階段的時間點為工作面停采之后及穩(wěn)沉之前的某個時間點。

對該工作面走向觀測線110號測點實測下沉數(shù)據(jù)擬合求取殘余下沉系數(shù)。

若對工作面停采后的實測數(shù)據(jù)進行擬合，求得殘余下沉系數(shù)：

qr(t)=0.184·e-23.0t

(3)

若對工作面停采0.43a后的實測數(shù)據(jù)進行擬合，求得殘余下沉系數(shù)：

qr(t)=0.039·e-0.36(t-0.43)

(4)

表2為工作面停采后110號測點累計下沉量實測數(shù)據(jù)與預(yù)計結(jié)果比較。由表2可知，同一實測參數(shù)，由于擬合數(shù)據(jù)選取范圍不同，式(4)與式(3)中b取值相差懸殊，擬合最終殘余下沉值也不一樣?？梢钥闯?，若對工作面停采后的實測數(shù)據(jù)擬合，由于該時間段前期數(shù)據(jù)反映了巖體變形破壞及過渡階段的地表沉陷，下沉速度衰減過快，擬合的負指數(shù)函數(shù)參數(shù)b值明顯過大，而實際上地表殘余下沉衰減很慢。顯然，公式(4)作為該礦長壁綜放開采地表殘余下沉系數(shù)的計算公式更為準確。

表2　工作面停采后110號測點累計下沉量實測數(shù)據(jù)與預(yù)計結(jié)果比較

4結(jié)論

(1)采用數(shù)值模擬方法分析了地表沉陷由巖體變形破壞到巖體密實沉陷的發(fā)展過程，揭示了巖體密實沉陷延續(xù)是引起地表殘余沉陷變形的機理。

(2)通過綜合分析，確定了長壁開采條件下地表殘余沉陷變形概率積分法預(yù)計參數(shù)的計算方法和取值范圍，對采空區(qū)的穩(wěn)定性評估有一定的參考價值。

[參考文獻]

[1]滕永海，張俊英.老采空區(qū)地基穩(wěn)定性評價[J].煤炭學(xué)報，1997(5):58-62.

[2]鄧喀中，譚志祥，張宏貞，等.長壁老采空區(qū)殘余沉降計算方法研究[J].煤炭學(xué)報，2012，37(10):1601-1605.

[3]朱廣軼，解陳，竇明，等.老采區(qū)及地表殘余變形對建筑物的影響[J].沈陽大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012(3):70-74.

[4]何國清，楊倫，凌賡娣，等.礦山開采沉陷學(xué)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1991.

[5]北京開采所.煤礦地表移動與覆巖破壞規(guī)律及其應(yīng)用[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1982.

[6]戴華陽，王金莊.非充分開采地表移動預(yù)計模型[J].煤炭學(xué)報，2003，28(6):583-587.

[7]黃樂亭，王金莊.地表動態(tài)沉陷變形的三個階段與變形速度的研究[J].煤炭學(xué)報，2006，31(4)：420-424.

[8]張俊英.采空區(qū)地表新建建筑地基穩(wěn)定性與治理技術(shù)研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2005.

[9]國家煤炭工業(yè)局.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[M].北京：煤炭工業(yè)出版社， 2000.

[10]劉曉菲，鄧喀中，范洪冬，等.D-InSAR監(jiān)測老采空區(qū)殘余變形的試驗[J].煤炭學(xué)報，2014，39(3):467-472.

[11]郭廣禮，鄧喀中，譚志祥，等.深部老采區(qū)殘余沉降預(yù)計方法及其應(yīng)用[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2002，21(1):1-3.

[12]王明立，張華興.采煤沉陷區(qū)地表殘余移動變形的計算分析[A].2005年開采沉陷規(guī)律與三下采煤學(xué)術(shù)會議[C].2005.

[責(zé)任編輯：施紅霞]

Forecast Parameters and Numerical Simulation of Mechanism of Surface Residual Subsidence Deformation

YI Si-hai

(CCTEG Tangshan Research Institute，Tangshan 063012，China)

Abstract:Overburden strata movement process was studied by numerical simulation，the results showed that surface subsidence experienced the process that from rock mass deformation to rock mass subsidence，it revealed that rock mass subsidence development was reasons that induced surface residual subsidence deformation． Surface residual deformation could be predicted by probability integral method according numerical simulation of surface subsidence distribution law during rock mass subsidence stage.On the basis of numerical simulation and measured data，predicting parameters of probability integral method of surface residual subsidence deformation with long wall mining situation were confirmed.

Key words:residual subsidence deformation; numerical simulation; subsidence process; predicting parameters; long wall mining

[收稿日期]2015-08-19

[基金項目]國家自然科學(xué)基金項目(51474129)

[作者簡介]易四海(1980-),男,湖北公安人,副研究員,博士,主要從事開采沉陷規(guī)律與“三下”采煤方面的研究工作。

[中圖分類號]TD325

[文獻標識碼]A

[文章編號]1006-6225(2016)02-0029-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.02.009

[引用格式]易四海.地表殘余沉陷變形機理數(shù)值模擬與預(yù)計參數(shù)分析[J].煤礦開采，2016，21(2)：29-32.