基于DDA方法的8101工作面開采沉陷數(shù)值模擬分析

李 濤

(潞安環(huán)能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031)

王莊煤礦是一座大型高產(chǎn)高效現(xiàn)代化礦井，核定生產(chǎn)能力達710萬t/a，主采山西組3號煤層，煤層均厚6.5 m。由于王莊煤礦特定的水文地質(zhì)條件，以及厚煤層現(xiàn)代機械化高強度開采，勢必引起更為劇烈的地表移動和變形，對上覆建(構(gòu))筑物、道路等造成破壞，為進一步完善和掌握一次采全高條件下地表沉陷規(guī)律與覆巖破壞動態(tài)演化，開展3號煤層工作面的開采沉陷數(shù)值模擬研究具有重要意義，將為礦井生產(chǎn)提供科學(xué)指導(dǎo)。

塊體系統(tǒng)不連續(xù)變形分析(DDA)是基于真實巖體結(jié)構(gòu)的非連續(xù)性而提出的一種數(shù)值計算方法，能夠計算塊體系統(tǒng)不連續(xù)面的滑動、開裂及旋轉(zhuǎn)等非連續(xù)介質(zhì)位移、變形等問題，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于礦山、滑坡、大壩等工程的破壞過程模擬分析[1-3]。本文以王莊煤礦8101工作面為例，在充分考慮巖體節(jié)理真實結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對工作面回采所引起的地表沉陷規(guī)律進行模擬分析。

1 8101工作面地質(zhì)概況

8101工作面位于王莊煤礦后備區(qū)81采區(qū)，主采二疊系3號煤層，平均采深380 m，煤層均厚6.3 m，煤層傾角3～7°，工作面走向長866～936 m，傾向長270 m，采用一次采全高綜采放頂煤采煤工藝，全部垮落法管理頂板。煤層直接頂為泥巖或泥質(zhì)砂巖，老頂為泥巖；直接底為泥巖，老底為細粒砂巖。煤層綜合柱狀巖層分布，見表1。工作面地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，區(qū)域內(nèi)發(fā)育5條正斷層，分別為F286、F287、 F288、 F289和F296，最大斷層落差6 m，其中F286～F289斷層構(gòu)造對8101工作面回采影響程度較大。

表1 煤層綜合柱狀巖層分布

2 DDA數(shù)值模擬構(gòu)建

非連續(xù)變形分析(DDA)是采用冪級數(shù)多項式位移函數(shù)來模擬巖石塊體的變形，以多項式系數(shù)為基本未知量利用變分原理建立整體平衡方程，在求解過程中嚴格滿足塊體間無張拉、無嵌入的接觸條件，該方法不僅允許塊體本身變形，還允許塊體間有滑動、轉(zhuǎn)動、張開等運動形式，非常適合分析系統(tǒng)中非連續(xù)大變形的情況[1-3]。DDA應(yīng)用到礦山地表移動數(shù)值模擬分析，是以自然存在的巖體被結(jié)構(gòu)面切割生成不同的塊體單元，當塊體系統(tǒng)中每個塊體的幾何條件、邊界條件及力學(xué)條件確定后，由DDA就可以計算塊體系統(tǒng)中每個塊體的位移、應(yīng)變及應(yīng)力，從而確定塊體間相對移動和滑動[4]。

為了提高數(shù)值模擬的準確性，選取具有代表性的局部區(qū)域進行模擬，根據(jù)地質(zhì)資料將實際開采情況簡化為沿巷道走向的二維平面應(yīng)變塊體模型，模型尺寸長800 m，高為450 m。模型底面和側(cè)面均固定約束，取上覆巖層的近似平均容重ρ=2.6×103kg/m3，為了模擬上覆巖層自重作用模型底面可近似為均布荷載作用，即：σ=ρgH=2.6×103×10×450=11.7 MPa(式中：H為模型所取煤層埋深)，所取巖層力學(xué)參數(shù)選擇，見表2。本次數(shù)值模擬計算是為了觀測深部開采條件下上覆巖層的移動破壞及地表沉陷規(guī)律，主要考慮穿過斷層時的影響。因此計算模型選取了8101工作面一個有特點的區(qū)域，包含了五條斷層，如圖1。為了更好地模擬礦井真實回采進度，按照王莊煤礦及周邊礦井已有相似采煤工藝回采經(jīng)驗，模型平均回采推進速度確定為2.8 m/d。

圖1 沿開采走向數(shù)值模擬示意

3 8101工作面開采沉陷數(shù)值模擬分析

模型中煤層的模擬開采是根據(jù)現(xiàn)場實際情況而制定的，通過DDA模擬不同開挖步驟，初步分析和得出工作面開采過程中上覆巖層移動及地表沉陷規(guī)律，模擬結(jié)果如圖2。從圖2可以看出：

圖2 開采過程中上覆巖層移動及地表沉陷規(guī)律

1) 工作面推進100 m時，由于采空區(qū)的出現(xiàn)，采空區(qū)上覆巖層將卸壓，此時采空區(qū)的上覆巖層以前承受的荷載將主要由采空區(qū)的直接頂及前后未開采的兩個端頭來承載，直接頂起著“關(guān)鍵層”的作用。此時，采空區(qū)周圍的應(yīng)力場為較小的類似橢圓形狀的應(yīng)力場。特別要注意的是，在前后方的斷層附近出現(xiàn)了很大的應(yīng)力集中區(qū)。這個階段由于采空區(qū)范圍較小，在采空區(qū)上方只出現(xiàn)了離層現(xiàn)象，但沉陷并未明顯波及到地面，如圖2(a)。

2) 當工作面推進200 m時，由于穿過F287斷層，可以看到前面在斷層附近積累的應(yīng)力集中只有很小一部分得到釋放，并且在斷層局部區(qū)域出現(xiàn)明顯的垮落現(xiàn)象。上覆巖層已經(jīng)開始垮落，上方并出現(xiàn)離層現(xiàn)象，如圖2(b)。由于此時開采通過斷層，所穿過的斷層附近的應(yīng)力集中會轉(zhuǎn)移到別的區(qū)域，遠離工作面的斷層會出現(xiàn)更大的應(yīng)力集中。橢圓形的應(yīng)力場在水平和垂直方向隨著回采的推進也均產(chǎn)生擴展。由于采空區(qū)范圍增大，并且受到斷層的影響，離層范圍增大，大致在采厚的2～4倍范圍，地表開始發(fā)生局部沉陷，局部沉陷主要發(fā)生在采空區(qū)上方區(qū)域。

3) 當工作面推采距離到400 m時，完全穿過F287和F288兩個斷層，并將要在前方碰到F289斷層，此時的應(yīng)力集中非常明顯，主要集中在前方F289斷層附近。因此，在靠近斷層時，需要提高液壓支架支撐力，防止發(fā)生沖擊地壓。由于此時采空區(qū)較大，導(dǎo)致采空區(qū)塌陷區(qū)域較大，傳播到地表時，沉陷較為嚴重，見圖2(c)。

4) 當工作面推進500 m時，采空區(qū)穿過F287、F288、F289三條斷層。應(yīng)力集中區(qū)往后發(fā)生轉(zhuǎn)移，且又返回集中在斷層附近。此時巖層塌落嚴重，并且誘發(fā)地表沉陷嚴重。地表沉陷處不再是規(guī)則拋物線形，有局部區(qū)域出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，見圖2(d)，隆起區(qū)域都集中在斷層露頭周圍。此時橢圓形應(yīng)力場進一步擴大。

5) 當工作面推進到600 m時，巖層塌落已經(jīng)很嚴重，尤其是在斷層附近，所誘發(fā)地表沉陷很嚴重，并且地表沉陷區(qū)斷層附近隆起區(qū)域進一步擴大。此時橢圓形應(yīng)力場在水平方向上擴大，在垂直方向上基本不變，如圖2(e)。這也表明此時發(fā)生沖擊地壓的可能性不大，但塌陷卻很嚴重。因此在工作面回采通過該區(qū)域時，要防治大面積的巖層塌落，要提前做好防范準備，提高液壓支架支撐力。

綜上所述，斷層對沉陷的影響很大，在開采通過斷層時，斷層附近的應(yīng)力場出現(xiàn)了很大的變化，橢圓形應(yīng)力場不是直接隨著開采擴大，而是在斷層附近應(yīng)力升高，積聚了大量的能量。隨著開采的進一步推進，由于斷層的積聚能量釋放出來，橢圓形的應(yīng)力場又隨著開采的推進而擴大，變化也趨于穩(wěn)定。而這些積聚的能量的釋放，將有可能導(dǎo)致地表發(fā)生大面積塌陷。

4 結(jié) 語

1) 8101工作面回采初期，關(guān)鍵層為采空區(qū)上方直接頂，而隨著回采進程的不斷推進，采空區(qū)面積不斷增大，所擔負承載的關(guān)鍵層也隨著應(yīng)力場分布變化垂直向上移動，直至地面。

2) 待工作面推進200 m時，工作面穿過F287斷層，斷層附近出現(xiàn)明顯垮落，且受到斷層影響，離層范圍增大，且延伸至地面，地面出現(xiàn)局部沉陷。

3) 斷層的存在對采空區(qū)上覆巖層的變形和破壞影響較大，所誘發(fā)的地表沉陷更為嚴重，并且地表沉陷區(qū)斷層附近隆起區(qū)域進一步擴大，且造成應(yīng)力變形集中，而隨著工作面推進遠離斷層，應(yīng)力集中發(fā)生轉(zhuǎn)移。