東溝蘭州灣煤礦地表沉陷預(yù)測(cè)數(shù)值分析

李永剛

摘要：為確定東溝蘭州灣煤礦開采后地表塌陷范圍及深度，采用數(shù)值實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)4號(hào)煤層?xùn)|西翼采區(qū)進(jìn)行了大范圍的開采過程模擬，獲得了地表沉陷的三維變化趨勢(shì)，闡明了現(xiàn)有塌陷區(qū)的產(chǎn)生過程，同時(shí)與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，提高了預(yù)測(cè)工作的精準(zhǔn)度，可為同類工作提供方法借鑒。

Abstract： In order to determine the range and depth of surface subsidence after mining in Donggou Lanzhouwan Coal Mine， a large-scale mining process was simulated in the east-west mining area of No.4 coal seam by using numerical experiments， the three-dimensional change trend of surface subsidence was obtained， and the generation process of the existing subsidence area was clarified. At the same time， it was compared with the theoretical calculation results， which verified the accuracy of the numerical experiment and improved the accuracy of the prediction work， which can provide a method for similar work.

關(guān)鍵詞：煤礦開采;地表塌陷;范圍預(yù)測(cè);數(shù)值模擬

Key words： coal mining;surface collapse;range prediction;numerical simulation

中圖分類號(hào)：TD327 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）17-0114-03

0 ?引言

地下煤層的開采勢(shì)必引起覆巖的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響地表的變形[1]。我國(guó)是煤炭資源型國(guó)家，全國(guó)一次能源中煤炭占比達(dá)到60%左右，且在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)這種能源結(jié)構(gòu)占比不會(huì)有太大變化[2]，同時(shí)我國(guó)人口密集，地表土地資源緊缺，煤礦開采與地表土地塌陷形成了顯著的矛盾。為了解決這方面的矛盾我國(guó)從綠色發(fā)展方面制定了諸多法律法規(guī)，要求煤礦企業(yè)進(jìn)行煤層開采地表塌陷的相關(guān)預(yù)測(cè)工作，為后期的土地復(fù)墾等環(huán)保工作奠定基礎(chǔ)[3]。然而這方面的工作在開展過程中大多評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)都是采用傳統(tǒng)的巖層移動(dòng)角及導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度計(jì)算作為地表塌陷范圍的估計(jì)方法[4]，這種方法的缺點(diǎn)是只能在一個(gè)剖面線上進(jìn)行平面范圍內(nèi)的預(yù)測(cè)，對(duì)于多個(gè)剖面線間的地表塌陷只能是通過估算進(jìn)行預(yù)測(cè)，這將對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來一定的誤差。

為了提高煤礦開采地表塌陷的預(yù)測(cè)精度，本文擬采用數(shù)值計(jì)算結(jié)合理論計(jì)算的方法進(jìn)行確定，為開采引起的地面塌陷預(yù)測(cè)工作提供新的技術(shù)借鑒。

1 ?計(jì)算方法及原理

數(shù)值分析已成為土木、水利、采礦等工程領(lǐng)域進(jìn)行巖土工程問題分析的重要手段，能夠非常準(zhǔn)確地模擬材料的塑性破壞和流動(dòng)，對(duì)土質(zhì)、巖石和其它材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性和塑性流動(dòng)進(jìn)行模擬具有更為準(zhǔn)確和快速的特點(diǎn)。

本次模擬對(duì)象為沉積巖為主的煤礦開采過程，其中各巖層的抗拉、內(nèi)聚力及摩擦角等力學(xué)參數(shù)是影響其破斷變形的重要影響因素，因此，采用M-C摩爾庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則更為適合，該準(zhǔn)則認(rèn)為巖石是均質(zhì)無裂隙的，巖石內(nèi)部在法向應(yīng)力作用下產(chǎn)生的摩擦力和顆粒間的內(nèi)聚力形成了抵抗破壞的力源，具體可表達(dá)為式（1）[5-6]。

（1）

式中：τ為拉力;C為內(nèi)聚力;σn為法向應(yīng)力;Θ為內(nèi)摩擦角。

上式為MC準(zhǔn)則的基本原理，為了利用有限元積分實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)模型的計(jì)算，需針對(duì)單個(gè)有限元單元體進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)單元體的摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則可寫為：

（2）

式中：I1為應(yīng)力張量的第一不變量;J2為應(yīng)力偏量的第二不變量;θσ為應(yīng)力羅德角。

2 ?實(shí)驗(yàn)方案

本次數(shù)值分析是對(duì)東西翼采區(qū)4號(hào)煤層開采現(xiàn)狀的模擬，重點(diǎn)獲取該區(qū)域沉陷的過程特征，并與理論計(jì)算形成互補(bǔ)，對(duì)地表復(fù)墾修復(fù)提供區(qū)域時(shí)空變化信息奠定基礎(chǔ)，并結(jié)合理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比分析，形成相互驗(yàn)證，提高預(yù)測(cè)的精度。

3 ?數(shù)值模型的建立及參數(shù)選取

根據(jù)勘探剖面線及4號(hào)煤層底板等高線可知煤層賦存傾角平均為7-10°左右，呈現(xiàn)為南高北低的賦存特征，結(jié)合該礦區(qū)的水文地質(zhì)綜合柱狀圖，以各巖層的平均厚度作為參考，并合理簡(jiǎn)化了地層的空間分布特征，確定了4號(hào)煤層的上覆巖層的組成分布，具體見表1。從巖層控制理論來分析，覆巖中5號(hào)、7號(hào)、16號(hào)巖層分別為主關(guān)鍵層、亞關(guān)鍵層和基本頂，這些巖層強(qiáng)度大、厚度大，對(duì)其上覆巖層具有較強(qiáng)的承載作用，他們的破斷規(guī)律影響了覆巖整體的下沉情況。

本次模型為三維立體模型，根據(jù)表1可確定縱向巖層的空間分布特征，水平方向的模型范圍，可根據(jù)采掘工程平面圖東西翼13個(gè)已采工作面的分布情況進(jìn)行選取，如圖1（a）所示，模型平面范圍為2200m*4000m，完全囊括了13個(gè)采區(qū)，滿足塌陷范圍的模擬分析需求。同時(shí)本次模擬還根據(jù)上述平面范圍進(jìn)行了礦區(qū)地表的三維建模，進(jìn)一步提高了數(shù)值模擬的可信度，構(gòu)建了如圖1（b）所示的三維地表，并最終結(jié)合地層形成了如圖1（c）所示的三維計(jì)算模型，該模型長(zhǎng)4000m，寬2200m，高度600m，煤層中根據(jù)13個(gè)采區(qū)的開采順序以及采區(qū)所處空間位置進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化，將圖1（a）中的1-2，3-4，5-6，7，8-9，10，11-13進(jìn)行合并獲得了7個(gè)模擬開采區(qū)域。

4 ?地表沉陷現(xiàn)狀演變規(guī)律分析

模型采用三角網(wǎng)格進(jìn)行剖分，共產(chǎn)生計(jì)算單元535060個(gè)，可較為精確的現(xiàn)實(shí)各個(gè)細(xì)節(jié)，底部邊界設(shè)為固定支撐、模型四周為輥支撐條件，頂面為自由面，更具模型總體高度設(shè)置了最大初始定地應(yīng)力為16MPa，地應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)取0.5。

4.1 地表位移場(chǎng)演變過程

東西兩翼共分為7個(gè)模擬開采區(qū)域，開采順序根據(jù)采掘工程平面圖所示時(shí)間進(jìn)行排序，具體如圖1（a）所示，通過模擬開采獲得了如圖2（a-g）的地表位移場(chǎng)的演變特征，首采區(qū)開采后地表開始發(fā)生沉陷，由于開采范圍及周邊圍巖尚未產(chǎn)生大范圍的破壞，因此對(duì)地表的影響范圍較小，第二模擬采區(qū)開采后地表影響范圍顯著擴(kuò)大，隨著東翼各個(gè)采區(qū)的逐一開采，破壞范圍不斷擴(kuò)大，沉陷深度也在不斷擴(kuò)大，沉陷區(qū)域中心隨采區(qū)的移動(dòng)而變化。西翼區(qū)域目前僅有兩個(gè)采區(qū)開采完畢，且兩個(gè)采區(qū)為跳采，相對(duì)各個(gè)采區(qū)覆巖較為完整，因此，地表的沉陷深度較小，影響范圍也較小，具體變化過程如圖2所示。

4.2 最終地表影響范圍

如圖3（a）所示，為本次數(shù)值模擬最終的地表沉陷影響范圍的分布特征，基本與圖3（b）所示的理論計(jì)算方式獲得形態(tài)和范圍相似，然而，數(shù)值實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度與地層空間組成特征及巖石力學(xué)參數(shù)密切相關(guān)，本次所采用的數(shù)據(jù)僅為現(xiàn)有資料所提供的合理推測(cè)和簡(jiǎn)化后得到的結(jié)果，因此，可能存在一定的誤差。數(shù)值實(shí)驗(yàn)快速準(zhǔn)確，且能夠直觀查看到地表變化的總體過程，可為土地復(fù)墾、生態(tài)修復(fù)等工程提供基礎(chǔ)時(shí)空演變數(shù)據(jù)。

5 ?結(jié)論

本次數(shù)值分析針對(duì)大區(qū)域的塌陷現(xiàn)狀采用數(shù)值和理論進(jìn)行計(jì)算分析，闡明了塌陷區(qū)域的變化規(guī)律得到以下結(jié)論：

①東翼采區(qū)地表沉陷范圍在第二模擬采區(qū)開采后開始快速擴(kuò)大影響范圍，且沉陷中心位置始終處于當(dāng)前采空區(qū)的中部，全部開采完畢后，東翼最大下沉量約為7m，西翼現(xiàn)狀為4m左右，與理論計(jì)算較為接近。

②塌陷現(xiàn)狀的平面分布狀態(tài)與模擬結(jié)果的范圍及形態(tài)相似，符合一般緩傾斜煤層開采地表沉陷變化規(guī)律。

參考文獻(xiàn)：

[1]張向陽，劉結(jié)高，涂敏.弱黏結(jié)頂板厚煤層綜放開采覆巖移動(dòng)及礦壓控制研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2019（5）：873-878.

[2]謝和平，吳立新，鄭德志.2025年中國(guó)能源消費(fèi)及煤炭需求預(yù)測(cè)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2019，44（07）：1949-1960.

[3]栗欣.綠色礦山文化建設(shè)模式的分析[J].中國(guó)礦業(yè)，2019（7）.

[4]童大志，汪杰.基于數(shù)值模擬的紅嶺鉛鋅礦巖層移動(dòng)帶圈定[J].有色金屬：礦山部分，2019（5）：10-13.

[5]柏東良.基于摩爾庫(kù)倫準(zhǔn)則的球殼自重應(yīng)力彈塑性分析[J].價(jià)值工程，2014（32）：326-328.

[6]吳曉輝.含軟弱夾層砂巖隧道開挖二維數(shù)值模擬分析[J].價(jià)值工程，2019，38（06）：144-146.