條帶開采采空區(qū)覆巖移動規(guī)律數(shù)值模擬分析

楊 逾，于潔瑜，王 宇

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

條帶開采采空區(qū)覆巖移動規(guī)律數(shù)值模擬分析

楊 逾，于潔瑜，王 宇

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

為了準確而有效的掌握條帶開采上覆巖層移動機理，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對遼寧省燈塔市西馬煤礦北二采區(qū)西上崗子村下壓12煤采空區(qū)上覆巖層變形傳播機理進行研究。模擬研究表明，采用FLAC3D軟件可以較好地模擬條帶開采上覆巖層長期變形特征。通過對各采空區(qū)和煤柱頂板及對應(yīng)地表布設(shè)位移測點，得到頂板和地表不同時間段的豎向位移變化曲線。研究結(jié)果經(jīng)分析得到，煤層開采后采空區(qū)頂板在自重和上覆巖層作用下，短時間內(nèi)變形狀態(tài)仍有較大變化；開采后21個月，各采空區(qū)頂板沉降變形開始趨于穩(wěn)定；24個月后各煤柱頂板沉降變形開始趨于穩(wěn)定；27個月后地表沉降變形開始趨于穩(wěn)定；最終，采空區(qū)上覆巖層應(yīng)力分布重新達到平衡。

覆巖移動；數(shù)值模擬；變形特征；位移測點；應(yīng)力平衡

0 引言

地下煤層開采以后，原巖應(yīng)力平衡遭到破壞并重新分布，引起采空區(qū)頂板彎曲、斷裂甚至塌陷。隨著時間的推移，礦區(qū)老化，煤柱失穩(wěn)破壞，會引發(fā)采空區(qū)頂板大面積冒落，如果處理不當(dāng)，會使上覆巖層產(chǎn)生巖移、錯動，最終導(dǎo)致地表大面積下沉，造成建筑物變形破壞，給礦山的安全生產(chǎn)帶來了嚴重影響[1-6]。

為了使礦山持續(xù)、穩(wěn)定而安全地回收礦產(chǎn)資源，如何快速準確地在采空區(qū)破壞之前，掌握采空區(qū)上覆巖層變形傳播機理顯得尤為關(guān)鍵。對大規(guī)模錯綜復(fù)雜的采空區(qū)穩(wěn)定性進行評價是一個極為復(fù)雜的過程，然而采用數(shù)值模擬能較好的顯現(xiàn)出采空區(qū)上覆巖層應(yīng)力分布規(guī)律及變形趨勢。本文采用了FLAC3D軟件對西馬煤礦北二采區(qū)村莊下12煤采空區(qū)覆巖移動規(guī)律進行數(shù)值模擬研究[7]，并布設(shè)了各個采空區(qū)頂板和煤柱頂板中間位置及對應(yīng)地表布設(shè)位移測點，共26個[8-10]。通過采集位移測點數(shù)據(jù)，得到各采空區(qū)、煤柱頂板及對應(yīng)地表豎向位移隨時間變化曲線，進而對采空區(qū)長期穩(wěn)定性進行分析和評價。所得相應(yīng)的研究成果將能夠給礦區(qū)安全生產(chǎn)帶來重要的科學(xué)指導(dǎo)意義。

1 工程概況

遼寧省燈塔市西馬煤礦北二采區(qū)村莊下壓煤區(qū)域位于井田西北部，煤層露頭被侏羅系地層及第四系地層覆蓋，采區(qū)范圍整體形狀為梯形，長1 400 m，寬800～1 000 m，面積約1.26 km2。12煤偽頂和直接頂均為厚層狀海相泥巖，沉積穩(wěn)定，老頂多為厚層狀粉砂巖，直接底板為粘土質(zhì)粉砂巖。在數(shù)值計算剖面上，按照巖類不同的力學(xué)性質(zhì)對煤層頂、底板劃分為7種巖性(表1)。

表1 煤巖土層巖性及力學(xué)參數(shù)

2 模型建立與結(jié)果分析

2.1 數(shù)值模型建立

以西馬煤礦北二采區(qū)12煤層條帶煤柱及上覆巖層為研究對象，數(shù)值計算剖面垂直采區(qū)走向，各煤巖土層之間為整合接觸，巖層內(nèi)部為連續(xù)介質(zhì)。模型幾何尺寸沿采區(qū)走向800 m，傾向100 m，垂直方向420 m。模擬煤層埋深為400 m，厚度2.5 m，模型頂部為自由邊界，四周水平位移約束，對模型底部邊界進行全約束。模型初始平衡采用摩爾-庫侖模型進行計算，開挖圍巖蠕變計算則利用經(jīng)典粘彈性模型進行分析。

2.2 模型測點布置

在采區(qū)7個條帶采空區(qū)頂板中間位置及對應(yīng)地表布設(shè)位移測點，共計14個；同理，在采區(qū)6個條帶煤柱中間位置及對應(yīng)地表布設(shè)位移測點，共計12個，分別記錄煤層開采以后上覆巖層和地表長期移動變形特征。地質(zhì)剖面示意圖，并標注監(jiān)測點位置(圖1)。

圖1 地質(zhì)剖面示意圖Fig.1 Schematic geological section

2.3 模擬結(jié)果分析

2.3.1 開采覆巖移動規(guī)律

采空區(qū)采后初始上覆巖層移動變形采用摩爾-庫侖模型計算移動變形分析計算。

通過模擬計算得到采后初始覆巖移動模擬結(jié)果見表2。

根據(jù)模型計算結(jié)果，得到采動覆巖垂直方向和水平方向位移分布情況見圖2、圖3。

由圖2分析可得，整個采區(qū)中部條帶工作面3～6頂板沉降變形較為明顯，兩邊的采空區(qū)1、2和7(右側(cè)為1采空區(qū))頂板沉降變形相對較小，并且每個條帶工作面頂板下沉區(qū)域主要集中在頂板的中間位置。由圖3分析可得，采區(qū)7個條帶工作面圍巖水平位移變化規(guī)律基本相同，各條帶工作面兩端圍巖及煤柱均向工作面空間產(chǎn)生水平位移，與采區(qū)覆巖豎向位移對比，

表2 采后初始覆巖移動模擬結(jié)果

圖2 采動覆巖豎向應(yīng)變模擬圖Fig.2 Vertical strain simulation diagram of the overlying strata

圖3 采動覆巖水平應(yīng)變模擬圖Fig.3 Horizontal strain simulation diagram of the overlying strata

水平移動受條帶開采影響范圍相對小一些。因開采初期工作面頂板變形較大，為防止意外，應(yīng)先經(jīng)過試采并建立觀測站定期觀測，然后根據(jù)地表移動情況決定下一步的開采計劃。

2.3.2 采空區(qū)覆巖蠕變變形特征

采空區(qū)覆巖蠕變模型采用的是Burgers蠕變模型，該模型適用于初始蠕變階段和穩(wěn)定蠕變階段。本文采用該模型計算覆巖蠕變最終的移動變形。模型在自重應(yīng)力作用下的蠕變公式為：

式中：η1，η2——黏滯性系數(shù)/(GPa/d)；E1，E2——彈性模量/GPa。

依據(jù)Burgers蠕變公式，利用Origin軟件基于最小二乘法對蠕變參數(shù)進行反演求解，得到各煤巖層的彈性模量和黏滯性系數(shù)見表3。

表3 煤巖層蠕變模擬參數(shù)

根據(jù)蠕變模型計算結(jié)果，得到采空區(qū)上覆巖層沉降變形穩(wěn)定后，覆巖豎直方向和水平方向變形分布情況見圖4、圖5。

圖4 沉降穩(wěn)定后覆巖豎向變形模擬圖Fig.4 Vertical deformation simulation diagram of overlying strata after settlement stability

圖5 沉降穩(wěn)定后覆巖水平變形模擬圖Fig.5 Horizontal deformation simulation diagram of overlying strata after settlement stability

由圖4分析可得，采區(qū)各條帶工作面圍巖蠕變區(qū)域與采動覆巖移動范圍大體相同。采區(qū)中部條帶工作面2～6頂板沉降變形較為明顯，兩邊采空區(qū)1和7頂板變形相對較小，并且每個條帶工作面頂板變形區(qū)域主要集中在頂板的中間位置；同時，采區(qū)地表產(chǎn)生不同程度變形。由圖5分析得到，采區(qū)各條帶工作面圍巖蠕變區(qū)域與采動覆巖移動范圍大體相同，各條帶工作面兩端圍巖及煤柱均向工作面空間產(chǎn)生較大變形，而地表水平方向變形較小。

記錄采后最終覆巖移動模擬結(jié)果見表4。

表4 采后最終覆巖移動模擬結(jié)果

2.3.3 采空區(qū)覆巖蠕變應(yīng)力分布特征

根據(jù)蠕變模型計算結(jié)果，采空區(qū)條帶煤柱及上覆巖層沉降變形穩(wěn)定后，覆巖在水平及垂直方向應(yīng)力分布情況見圖6、圖7。

圖6 水平應(yīng)力模擬圖Fig.6 Horizontal stress simulation cloud chart

圖7 豎向應(yīng)力模擬圖Fig.7 Vertical stress simulation cloud chart

由圖6、圖7分析可得，采區(qū)各條帶煤柱及覆巖移動變形穩(wěn)定后，采空區(qū)頂?shù)装鍛?yīng)力呈拱形分布(壓力拱)，上覆巖層的負載只有很少一部分作用在采空區(qū)直接頂板上，大部分應(yīng)力均向采空區(qū)兩側(cè)煤柱及圍巖轉(zhuǎn)移，在煤柱和圍巖上形成應(yīng)力集中區(qū)，并向直接頂?shù)装灏l(fā)散，這種現(xiàn)象在采區(qū)中部煤柱和覆巖層上更為顯著。因此，在條帶開采中應(yīng)嚴格控制開采寬度，不得隨意縮小保留煤柱尺寸，一避免減少煤柱的有效支撐面積。使得煤柱安全性降低，地表下沉系數(shù)增大。

2.3.4 覆巖層長期穩(wěn)定性分析

煤層開采以后，結(jié)合各采空區(qū)和煤柱頂板及對應(yīng)地表位移布設(shè)測點所記錄下巖移數(shù)據(jù)，得到各工作面采空區(qū)和煤柱頂板及對應(yīng)地表的豎向位移隨時間變化曲線(圖8～圖11)。

圖8 各采空區(qū)頂板豎向位移隨時間變化曲線Fig.8 The curve of vertical displacement over time of each goaf roof

圖9 各煤柱頂板豎向位移隨時間變化曲線Fig.9 The curve of vertical displacement over time of each coal pillar roof

圖10 各采空區(qū)頂板對應(yīng)地表豎向位移隨時間變化曲線Fig.10 The curve of the vertical displacement over time of each goaf roof corresponding to the surface

圖11 各煤柱頂板對應(yīng)地表豎向位移隨時間變化曲線Fig.11 The curve of the vertical displacement over time of each coal pillar corresponding to the surface

由圖8分析可得，煤層開采以后，采空區(qū)頂板在自重和上覆巖層作用下，短時間內(nèi)應(yīng)變狀態(tài)變化很大，其中，采區(qū)中部2～6工作面采空區(qū)頂板變形量較為明顯。隨著時間的推移，沉降變形曲線逐漸平緩，直至開采后21個月沉降變形開始趨于穩(wěn)定。從圖9分析得到，由于覆巖及煤柱的約束，煤柱頂板沉降變形量較小，沉降速度較為緩慢。曲線在沉降階段大體呈線性變化，其斜率變化區(qū)間為-3.9～-4.7 mm/月，至開采后24個月沉降變形開始趨于穩(wěn)定，采空區(qū)上覆巖層應(yīng)力分布重新達到平衡。

由圖10、圖11分析可得，各采空區(qū)及煤柱頂板對應(yīng)的地表豎向位移隨時間變化曲線主要分為三個階段：第一階段在開采后0～7個月，該階段地表沉降變形較為緩慢，因為采空區(qū)覆巖移動需要通過上覆巖層形成“三帶”，緩慢地傳遞到地表，引起地表發(fā)生沉降變形；第二階段在開采后7～17個月，由于地下煤層連續(xù)開采，覆巖移動不斷的傳至地表，因此加快了地表沉降變形速度；第三階段在開采后17～27個月，由于覆巖移動變形較為緩慢，煤層開采結(jié)束后，地表沉降變形量仍在增加，隨著時間的推移，約27個月后地表沉降開始趨于穩(wěn)定，整個采區(qū)上覆巖層應(yīng)力分布重新達到平衡狀態(tài)。

3 結(jié)論

本文通過使用FLAC3D軟件對條帶開采各采空區(qū)覆巖穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬研究以及蠕變模型計算，研究結(jié)果如下：

(1)煤層開采以后，采區(qū)中部條帶工作面2～6頂板沉降變形較為明顯，兩邊的采空區(qū)1和7的頂板變形相對較小，各條帶工作面頂板變形區(qū)域主要集中在頂板中間位置；各條帶工作面兩端圍巖及煤柱均向工作面空間產(chǎn)生較大變形，與覆巖垂向位移對比，水平變形范圍相對小一些。

(2)各采空區(qū)覆巖及煤柱蠕變變形穩(wěn)定后，采空區(qū)頂板應(yīng)力呈拱形分布，上覆巖層負載只有很少一部分作用在直接頂板上，大部分應(yīng)力均向采空區(qū)兩側(cè)煤柱和圍巖轉(zhuǎn)移，在煤柱和圍巖上形成應(yīng)力集中區(qū)，并向直接頂?shù)装灏l(fā)散，這種現(xiàn)象在采區(qū)中部2～5煤柱條帶上更為明顯。

(3)在各采空區(qū)頂板和煤柱頂板中間位置及對應(yīng)地表布設(shè)位移測點，通過對布設(shè)位移測點數(shù)據(jù)的采集，繪制各采空區(qū)和煤柱頂板及對應(yīng)地表沉降位移隨時間變化曲線，可以得到自煤層開采后，采空區(qū)頂板在自重和上覆巖層作用下，短時間內(nèi)沉降變形幅度較大；開采約21個月后各采空區(qū)頂板沉降變形開始趨于穩(wěn)定；24個月后各煤柱頂板沉降變形開始趨于穩(wěn)定；27個月后地表沉降變形開始趨于穩(wěn)定。最終，采空區(qū)上覆巖層應(yīng)力分布重新達到平衡狀態(tài)。

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Numerical simulation study on movement law of overlying strata of goaf in strip mining

YANG Yu，YU Jieyu，WANG Yu

(SchoolofCivilandTransportion,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin，Liaoning123000,China)

In order to accurately and effectively control mechanism of overlying strata movement with strip mining. Using the FLAC3D to simulate the mechanism of goaf overburden deformation propagation of NO.12 seam, which is located in NO.2 mining area of the North of Xima Coal under the Xi Shanggangzi in Dengta, Liaoning. Simulation studies show that long-term characteristics of overburden deformation with strip mining can be simulated well by FLAC3D.By layouting displacement measuring points in the roofs of goafs and in the roofs of coal pillars as well as their own points on the surface, the vertical displacement curves of roofs and surface with different time can be obtained. The results of the research analysis is found that the deformation state changes seriously within a short time with the effect of their own gravity and overlying strata after mining. After mining, there are 21 months for the settlement deformation of goaf roofs beginning to tend stable, and 24 months for the settlement deformation of coal pillar’s roofs beginning to tend stable. After 27 months, surface subsidence begins to tend stable；finally，stress distribution of goaf overburden reaches a new equilibrium. So it regains a steady state from the mining area to the surface.

overburden movement; numerical simulation; deformation behaviour; displacement measuring point; stress balance

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.01.15

2016-03-16;

2016-06-16

國家自然科學(xué)基金(51274111)；遼寧省博士后集聚工程項目(2011921029)

楊 逾(1973-)，男，甘肅張掖人，博士，教授，主要從事采礦損害與控制工程。E-mail：yangyu9300@163.com

TD823

A

1003-8035(2017)01-0096-06