條帶開采下地表沉陷變形影響因素?cái)?shù)值模擬分析研究①

鄧鵬江

(煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司,遼寧 沈陽 110000)

0 引 言

根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)公布的數(shù)據(jù)顯示，2018年我國能源消耗總量56.3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中煤炭消費(fèi)總量占據(jù)能源消耗總量的61.7%[1]，煤炭占主導(dǎo)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)短期不會(huì)發(fā)生改變，隨著我國幾十年無節(jié)制的開采，我國正面臨著煤炭枯竭的局面。而鐵路、水體、建筑物下(簡稱“三下”)壓煤量巨大，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國“三下”壓煤總量達(dá)到178億噸以上，其中建筑物下壓煤量占到67%，而建筑物壓煤主要為村莊建筑物、輸電線路[2]。隨著煤炭資源的枯竭和開采強(qiáng)度、范圍的不斷增大，建筑物下采煤成為趨勢，因此導(dǎo)致開采區(qū)地表沉陷面積不斷擴(kuò)大，人地土地需求矛盾不斷增大，開采區(qū)地表土地資源的再利用成為急迫需要解決的問題。

地下采煤破壞了巖層結(jié)構(gòu)的整體性，使的采空區(qū)上部巖層承載力下降，采空區(qū)上覆巖層受到重力的作用從下而上形成“三帶”，從采空區(qū)逐步垮傳達(dá)到地表，若在采空區(qū)地表修建大型建筑物，使其載荷附加應(yīng)力可能傳遞到冒落帶、裂隙帶，造成巖石間空隙重新被壓實(shí)，使采空區(qū)地表重新發(fā)生移動(dòng)變形，破壞建筑物地基的穩(wěn)定性，嚴(yán)重的影響到人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此研究老采空區(qū)地表移動(dòng)變形規(guī)律，對合理利用采空區(qū)地表土地，緩解土地資源緊缺、增加土地的綜合使用效率，揭示煤層開采地表的移動(dòng)變形與上覆巖層變化規(guī)律，更加優(yōu)化煤層開采方案，使其煤層資源得到最大的合理開發(fā)和利用，以及維護(hù)煤炭資源的持續(xù)開發(fā)利用和保障國家能源安全都具有重要的研究意義。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

以古城煤礦為研究對象，該礦位于兗州市以東、曲阜市以西，開采儲(chǔ)量9.567Mt，現(xiàn)有開采能力0.8Mt/a。該礦地表建筑物主要為村莊建筑物、小廠和公路及其附屬建筑設(shè)施。該礦山西組和太原組為含煤地層，區(qū)內(nèi)共有7層可采煤層，總厚度12.68m，主采煤層以山西組3#煤為主，平均煤層厚度8.6m，山西組煤層埋深80～320m，平均煤層傾角15°，由于3#煤層賦存條件較好作為主采煤層，因此將3#煤層作為此次的研究對象。

2 建立數(shù)值模擬模型

采用FLAC3D 數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬研究，主要研究不同開采因素對地表沉陷變形的影響規(guī)律。根據(jù)研究需要簡化計(jì)算模型，將巖石作為均質(zhì)，各向同性的連續(xù)體，模型為中間區(qū)域緊密，四周疏松的計(jì)算模型方式，煤層傾角為0度，模型X軸長度為1480m，Y軸1240m，Z軸768m，暫不考慮構(gòu)造應(yīng)力對原巖應(yīng)力的影響，僅考慮巖體自重應(yīng)力場。各巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1，模型見圖1。

表1 巖層巖石物理力學(xué)參數(shù)表

圖1 地表變形沉陷計(jì)算模型示意圖

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 留寬對地表沉陷和水平變形的影響關(guān)系

條帶開采留寬為別為80m、100m和120m情況下，地表沉陷和水平變形的數(shù)值模擬結(jié)果如圖2，圖3所示。當(dāng)采寬為100m不變的情況下，保留煤柱能夠較好的控制條帶開采的上覆巖層，上覆巖層的移動(dòng)變形基本為本次開采的移動(dòng)變形。隨著留寬的不斷增大，所保留的煤柱就面積越大，煤柱所能控制采出條帶上覆巖層的能力就越強(qiáng)，即煤柱的穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)，在同等應(yīng)力作用下頂板的彎曲程度就越小，煤柱所能承受上覆巖層的自重載荷也逐漸增強(qiáng)，對地表的擾動(dòng)就越小，所引起的地表沉陷和水平變形就越小。表現(xiàn)為當(dāng)開采寬度不變的情況下，增加留寬即減小煤層的采出率，地表的沉陷值和水平變形值隨著采寬的增大而減小。

圖2 不同開采留寬條件下地表沉陷值曲線

圖3 不同開采留寬條件下地表水平變形值曲線

3.2 采寬對地表沉陷和水平變形的影響關(guān)系

為模擬研究不同采寬條件下地表沉陷和移動(dòng)變形規(guī)律，當(dāng)留寬為100m不變的情況下，工作面采寬分別為80m、100m、120m的地表沉陷和水平移動(dòng)變形的數(shù)值模擬結(jié)果見圖4、圖5?？梢钥闯霎?dāng)留寬為100m不變的情況下，增大采寬及增加煤層的開采率，所造成的煤柱面積逐漸降低，穩(wěn)定性減低，對條帶開采的上覆巖層的能力作用減低，煤柱所承受上覆巖層的自重載荷逐漸增大，在相同的應(yīng)力作用下頂板的彎曲程度逐漸增大。隨著采寬的增大，上覆巖層的下沉移動(dòng)變形相關(guān)影響且相互疊加作用發(fā)展到地表。即隨著采寬的不斷增大，地表的沉陷值和水平移動(dòng)變形值也逐漸增大。

圖4 不同采寬條件下地表沉陷值曲線

圖5 不同采寬條件下地表水平變形值曲線

3.3 采深對地表沉陷和水平變形的影響關(guān)系

為研究采深對地表沉陷和水平移動(dòng)變形的影響規(guī)律，本次模擬當(dāng)采寬、留寬都為100m，采深分別為500m、600m、700m的情況下的數(shù)值模擬結(jié)果見圖6、圖7。可以看出，當(dāng)留寬和采寬不變的情況下，隨著采深的不斷增大，地表的沉陷值和水平移動(dòng)變形值逐漸減小，但地表沉陷的范圍逐漸增大，地表的沉陷曲線逐漸變的更加平緩。隨著開采深度的逐漸增大，地表沉陷的盆地區(qū)域面積逐漸增大，但地表沉陷值和水平移動(dòng)變形值隨著開采深度的增大而逐漸減小。地表沉陷的區(qū)域越大、沉陷速率均勻?qū)Φ乇沓料輩^(qū)上方的建筑物的傾斜、變形影響就越小。因此，對煤層采用深度條帶開采的方式，能在一定程度保護(hù)開采區(qū)地表建筑物。

圖6 不同采深條件下地表沉陷值曲線

圖7 不同采深條件下地表水平變形值曲線

3.4 松散層厚度對地表沉陷和水平變形的影響關(guān)系

為了研究松散層厚度對地表沉陷和水平移動(dòng)變形的影響規(guī)律，本次研究當(dāng)采高、留寬都為100m不變的情況下，松散層層厚分別為40m、70m、100m的數(shù)值模擬結(jié)果見圖8、圖9。當(dāng)采用條帶開采時(shí)，條帶覆巖中厚硬基巖會(huì)形成關(guān)鍵層，保留煤柱和關(guān)鍵層共同控制上覆巖層的移動(dòng)變形。而松散層由于強(qiáng)度較低，不能起到關(guān)鍵層的作用而只能載荷作用在基巖上。但是由于基巖較薄，起到的關(guān)鍵層作用相對較弱，即承載外力的能力較弱。隨著松散層厚度的增加，作用在保留煤柱和關(guān)鍵層的載荷就越大，對其的壓縮量就越大。當(dāng)其承載能力大于實(shí)際荷載大小時(shí)，就會(huì)發(fā)生關(guān)鍵層斷裂、保留煤柱塑性區(qū)聯(lián)通，對上覆巖層的支撐作用就會(huì)明顯減小，傳達(dá)到地表就表現(xiàn)為地表沉陷值和水平移動(dòng)變形值就越大。

圖8 不同松散層厚度條件下地表沉陷值曲線

圖9 不同松散層厚度條件下地表水平變形值曲線

3.5 采高對地表沉陷和水平變形的影響關(guān)系

本次研究當(dāng)采寬、留寬、采深和松散層相同，采高分別為3m、4m、5m條件下的數(shù)值模擬結(jié)果見圖10、圖11。由圖可知隨著采高的增加，地表的最大沉陷值呈小幅度增加的趨勢，隨著采高的不斷增加，所保留煤柱的留寬與采高之比逐漸減小，保留煤柱的穩(wěn)定逐漸降低，保留煤柱所能承受的載荷能力隨著采高的增加而不斷降低，而其所受的壓縮量也將增大。當(dāng)其承載能力大于實(shí)際荷載大小時(shí)，就會(huì)發(fā)生關(guān)鍵層斷裂、保留煤柱塑性區(qū)聯(lián)通，對上覆巖層的支撐作用就會(huì)明顯減小，傳達(dá)到地表就表現(xiàn)為地表沉陷值和水平移動(dòng)變形值就越大。

圖10 不同采高條件下地表沉陷值曲線

圖11 不同采高條件下地表水平變形值曲線

4 正交試驗(yàn)對開采因素重要性分析

4.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)上文的數(shù)值模擬結(jié)果和開采經(jīng)驗(yàn)可以得出采高、松散層厚度、采深、采寬、留寬是影響地表沉陷移動(dòng)變形的主要影響因素，為確定影響因素的順序和大小。本文根據(jù)數(shù)值的結(jié)果，選取5個(gè)影響因素的5個(gè)水平，選擇L25(56)正交表來安排實(shí)驗(yàn)，共設(shè)計(jì)25個(gè)模擬方案，各影響因素選取的水平分別為：采高(2,3,5,7,8)，松散層厚度(20,30,40,50,60)，采深(300,400,500,600,700)，采寬(30,35,40,45,50)，留寬(10,20,25,30,40)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為確定影響因素的主次順序，本文采用極差方法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，其中極差R越大表示該影響因素對試驗(yàn)結(jié)果越敏感，起到的影響就越大，否則反之，正交試驗(yàn)結(jié)果表1。

表1 影響因素最大沉陷值正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果分析可知，在模擬條件下5個(gè)影響因素對地表的最大沉陷值的影響主次順序?yàn)椋毫魧?松散層厚度>采寬>采高>采深。留寬對地表沉陷移動(dòng)變形的影響程度最大，采深對地表沉陷移動(dòng)變形的影響程度最小。說明留寬對控制地表沉陷起到至關(guān)重要的作用，而采深對地表沉陷量的大小的不敏感。

5 結(jié) 論

1) 當(dāng)開采寬度等其他條件不變的情況下，隨著煤層開采留寬的增大，地表沉陷值逐漸減少、沉陷盆地的范圍逐漸變小，最大下沉點(diǎn)位于地表沉陷區(qū)域中心位置，地表的水平移動(dòng)值也隨留寬的增大而減少。

2)當(dāng)留寬等其他條件不變的情況下，增加采寬即增加煤層開采的采出率，地表的沉陷值和水平移動(dòng)變形值隨著留寬的增大而增大。

3)當(dāng)采寬、留寬等其他條件不變的情況下，隨著開采深度的逐漸增大，地表沉陷的盆地區(qū)域面積逐漸增大，但地表沉陷值和水平移動(dòng)變形值隨著開采深度的增大而逐漸減小。地表沉陷的區(qū)域越大、沉陷速率均勻?qū)Φ乇沓料輩^(qū)上方的建筑物的傾斜、變形影響就越小。

4)在其它因素保持不變的條件下，隨著松散層厚度的增大，地表沉陷值和水平移動(dòng)值減小，但沉陷盆地的范圍增大，最大下沉點(diǎn)位地表沉陷區(qū)域中心位置。

5)在其它因素保持不變的條件下，隨著采高的增加，地表的最大沉陷值呈小幅度增加的趨勢，地表沉陷值和水平移動(dòng)變形值逐漸增大。

6)在正交試驗(yàn)的模擬條件下，5個(gè)影響因素對地表沉陷移動(dòng)變形影響程度的主次順序?yàn)椋毫魧?松散層厚度>采寬>采高>采深。