采動(dòng)巖體移動(dòng)規(guī)律的數(shù)值模擬分析

■張瑩 施星波

（甘肅省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院 甘肅蘭州730020）

采動(dòng)巖體移動(dòng)規(guī)律的數(shù)值模擬分析

■張瑩 施星波

（甘肅省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院 甘肅蘭州730020）

煤層開(kāi)采后，上覆巖體會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，造成地表變形破。只有搞清巖體內(nèi)部移動(dòng)，才能更加清楚地認(rèn)識(shí)到地表移動(dòng)機(jī)理并從而尋求控制地表移動(dòng)的最佳方法。本文以某煤礦工作面為例，采用FLAC3D軟件對(duì)地下煤層開(kāi)采過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析煤層頂板、底板和地表隨開(kāi)采進(jìn)行的移動(dòng)規(guī)律。最后得出結(jié)論：煤層頂板隨開(kāi)采過(guò)程的進(jìn)行呈現(xiàn)階段式垮落的規(guī)律，頂板的垮落過(guò)程也反映在地表位移的變化上；隨著開(kāi)采進(jìn)行，煤層底板會(huì)發(fā)生一定程度的隆起，隆起位置隨開(kāi)采的推進(jìn)而推進(jìn)。

采動(dòng)巖體移動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬煤層開(kāi)采

1　引言

采礦工程開(kāi)采引起的巖土體變形，會(huì)對(duì)礦山工程、地面工程和耕地造成影響和危害，它早已成為采礦工程中的一個(gè)重大科學(xué)技術(shù)課題[1]。學(xué)者們對(duì)此進(jìn)行了各方面的分析研究：劉天泉[2]、繆協(xié)興和錢(qián)鳴高[3]對(duì)巖體采動(dòng)影響進(jìn)行了綜述；鄧喀中等[4,5]、張永波等[6]、張俊英[7]在相似材料模擬方面取得了進(jìn)展；李新穎[8]以某采區(qū)為例總結(jié)分析了非充分開(kāi)采條件下的地表移動(dòng)規(guī)律；唐東旗等[9]利用FLAC2D軟件在數(shù)值模擬方面取得了相關(guān)結(jié)論。

地下礦層采出后引起地表變形是一個(gè)非常復(fù)雜的時(shí)間和空間發(fā)展過(guò)程，而地表的變形是由于內(nèi)部巖體移動(dòng)的結(jié)果。對(duì)采動(dòng)巖體變形進(jìn)行數(shù)值模擬可以得到內(nèi)部巖體的變形規(guī)律，繼而分析其對(duì)地表變形的影響。因此，本文以某煤礦工作面為例，采用FLAC3D軟件對(duì)地下煤層開(kāi)采過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，然后分析煤層頂板、底板和地表隨開(kāi)采進(jìn)行的移動(dòng)規(guī)律。

2　采動(dòng)巖體的動(dòng)態(tài)移動(dòng)過(guò)程

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，采動(dòng)巖體的動(dòng)態(tài)移動(dòng)過(guò)程如下：當(dāng)工作面推進(jìn)距離小于頂板巖體的極限跨距時(shí)，頂板巖體不會(huì)垮落。當(dāng)工作面推進(jìn)距離大于頂板巖體的極限跨距時(shí)，頂板巖體初次垮落，但垮落巖體不足以充滿采空區(qū)。隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，工作面前方未垮落巖體仍能支撐上覆巖體，形成懸梁，此時(shí)覆巖的移動(dòng)可看成是工作面前方附近懸臂梁的彎曲和后方彈性基礎(chǔ)上梁的彎曲。隨著工作面再推進(jìn)，前方懸臂梁斷裂垮落。巖層移動(dòng)就是隨工作面推進(jìn)，前方懸梁周期性垮落，破裂區(qū)上方簡(jiǎn)支梁斷裂垮落，上部未斷裂巖梁位置逐漸上移，直到地表達(dá)到充分采動(dòng)。

3　煤礦工作面概述

本文以內(nèi)蒙古唐公塔煤礦某一工作面為例進(jìn)行分析。該工作面南北向長(zhǎng)400m，東西向?qū)?83m，煤層埋深140~200m，煤層平均厚度10m。該區(qū)地層由老到新為：下奧陶統(tǒng)亮甲山組、中石炭統(tǒng)本溪組、上石炭統(tǒng)太原組、下二疊統(tǒng)山西組、下二疊統(tǒng)下石盒子組、上新統(tǒng)、上更新統(tǒng)，各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　參數(shù)表

4　模型建立及計(jì)算

本文采用FLAC3D程序進(jìn)行數(shù)值模擬和計(jì)算。建好的模型共計(jì)50760單元，55071節(jié)點(diǎn)。計(jì)算時(shí)，約束x、y軸方向的法向位移以及z軸方向的底部所有點(diǎn)位移。采煤過(guò)程的模擬是將工作面范圍內(nèi)的煤層賦空單元，采用與實(shí)際煤層開(kāi)采比較接近的分步開(kāi)采模擬，開(kāi)采共分40步進(jìn)行，每次開(kāi)采10m。

5　計(jì)算結(jié)果分析與討論

5.1煤層頂板移動(dòng)規(guī)律

當(dāng)?shù)叵旅簩颖徊沙龊螅煽諈^(qū)直接頂板巖層產(chǎn)生向下的移動(dòng)和彎曲，當(dāng)其內(nèi)部拉應(yīng)力超過(guò)巖層的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，直接頂板首先斷裂、破碎相繼冒落。煤層頂板在煤層開(kāi)采至40m時(shí)開(kāi)始垮落，并且開(kāi)采至70m時(shí)，再次發(fā)生整體垮落，以后頂板的垮落過(guò)程亦相同，每30m發(fā)生一次垮落。煤層頂板隨開(kāi)采過(guò)程的進(jìn)行呈現(xiàn)階段式變化的規(guī)律。這與前述的采動(dòng)巖體的動(dòng)態(tài)移動(dòng)過(guò)程一致，頂板未垮落前，可看做是固支梁，初次垮落后，煤層繼續(xù)開(kāi)采，頂板這時(shí)可看做是懸臂梁，每一階段的破壞基本相同，因此會(huì)出現(xiàn)數(shù)值模擬中的頂板階段性坍塌的結(jié)果。

5.2地表移動(dòng)規(guī)律

地表移動(dòng)是巖體移動(dòng)的外在表現(xiàn)，圖1為隨著開(kāi)采進(jìn)行，地表最大沉降值的變化，在開(kāi)采到第4步（40m）時(shí)，地表開(kāi)始沉降，同時(shí)開(kāi)始有水平位移。在開(kāi)采至260m之前，地表沉降和水平位移隨開(kāi)采的進(jìn)行呈現(xiàn)階梯式變化的規(guī)律。開(kāi)采約30m時(shí)位移發(fā)生一次明顯的變化。與煤層頂板的垮落過(guò)程一致。地表沉降在開(kāi)采到260m時(shí)，基本達(dá)到了穩(wěn)定，水平位移更早達(dá)到穩(wěn)定不再發(fā)生大的變化，即開(kāi)采到260m時(shí)南北方向上達(dá)到充分采動(dòng)。達(dá)到充分采動(dòng)之后，隨著開(kāi)采的繼續(xù)進(jìn)行，地表最大沉降和最大水平移動(dòng)不再發(fā)生大的變化，只有開(kāi)采范圍的擴(kuò)大。

圖1　地表最大沉降值圖

5.3煤層底板移動(dòng)規(guī)律

通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)隨著開(kāi)采的進(jìn)行，煤層底板會(huì)發(fā)生一定程度的隆起，這是由于煤層頂、底板巖層內(nèi)形成減壓區(qū)，使巖層像彈性恢復(fù)那樣發(fā)生膨脹。隆起位置位于煤層剛被開(kāi)采的位置，隨著開(kāi)采的進(jìn)行，煤層頂板垮落繼而上覆巖體垮、壓實(shí)，因而底板隆起的位置隨著開(kāi)采的推進(jìn)而推進(jìn)。本文進(jìn)行的數(shù)值模擬中，隆起最高處z位移基本不變，約為0.03m。

6　結(jié)論

（1）煤層頂板隨開(kāi)采過(guò)程的進(jìn)行呈現(xiàn)階段式變化的規(guī)律。

（2）地表達(dá)到充分采動(dòng)前，地表最大沉降值和最大水平位移值隨開(kāi)采的進(jìn)行呈現(xiàn)階梯式變化的規(guī)律，與煤層頂板的垮落過(guò)程一致。達(dá)到充分采動(dòng)之后，隨著開(kāi)采的繼續(xù)進(jìn)行，地表最大沉降和最大水平移動(dòng)不再發(fā)生大的變化，只有開(kāi)采范圍的擴(kuò)大。

（3）隨著開(kāi)采的進(jìn)行，煤層底板會(huì)發(fā)生一定程度的隆起，隆起位置位于煤層剛被開(kāi)采的位置，隨著開(kāi)采的進(jìn)行，煤層頂板垮落繼而上覆巖體垮、壓實(shí)，因而底板隆起的位置隨著開(kāi)采的推進(jìn)而推進(jìn)。

[1]鄒友峰，鄧喀中，馬偉民.礦山開(kāi)采沉陷工程 [M].江蘇：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[2]劉天泉.礦山巖體采動(dòng)影響與控制工程學(xué)及其應(yīng)用 [J].煤炭學(xué)報(bào).1995(1).

[3]繆協(xié)興，錢(qián)鳴高.采動(dòng)巖體的關(guān)鍵層理論研究新進(jìn)展 [J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2000 (1).

[4]鄧喀中，周鳴，譚志祥，等.采動(dòng)巖體破裂規(guī)律的試驗(yàn)研究 [J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).1998(3).

[5]王悅漢，鄧喀中，吳侃，等.采動(dòng)巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)模型 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào). 2003(3):352-357.

[6]張永波，靳鐘銘，劉秀英.采動(dòng)巖體裂隙分形相關(guān)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).2004(20):3426-3429.

[7]張俊英.采動(dòng)破碎巖體的動(dòng)態(tài)碎脹性物理模擬的研究 [J].選煤技術(shù).2006(S1): 69-72.

[8]李新穎.非充分采動(dòng)采區(qū)地表移動(dòng)的規(guī)律探索 [J].煤炭技術(shù).2007(11):109-111. [9]唐東旗，侯江濤，李權(quán)國(guó)，等.斷裂帶巖體采動(dòng)效應(yīng)的數(shù)值模擬研究 [J].煤炭技術(shù).2010(12):58-59.

TD82[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-2-123-2

張瑩（1985～），女，助理工程師，研究方向?yàn)榈刭|(zhì)災(zāi)害調(diào)查。