黃土溝壑地形下相鄰采空區(qū)對(duì)地表移動(dòng)變形影響研究

門(mén)懋進(jìn)

(山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590)

隨著回采工作面的推進(jìn)，上覆巖層發(fā)生斷裂垮落、離層變形，隨著變化向上發(fā)展，地表引發(fā)移動(dòng)沉陷變形，當(dāng)變形達(dá)到一定程度后，會(huì)對(duì)地表建構(gòu)筑物以及環(huán)境造成一定程度的影響以及破壞[1]。針對(duì)地表沉陷問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分析了地表移動(dòng)變形規(guī)律，研究了開(kāi)采對(duì)地表建構(gòu)筑物以及環(huán)境的影響[2-5]。湯伏全[6]通過(guò)GNSS連續(xù)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)工作面在相鄰老采空區(qū)影響下開(kāi)采地表移動(dòng)變形規(guī)律進(jìn)行了研究，揭示了老采空區(qū)影響下相鄰回采工作面動(dòng)態(tài)非對(duì)稱(chēng)沉陷規(guī)律。賀國(guó)偉[7]以地表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了厚黃土層采煤地表移動(dòng)變形規(guī)律以及相關(guān)參數(shù)變化。仇美玲[8]利用概率積分法對(duì)相鄰工作面開(kāi)采后地表沉陷進(jìn)行了預(yù)計(jì)，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，求取移動(dòng)變形預(yù)計(jì)參數(shù)。然而，目前對(duì)同一煤層相鄰采空區(qū)影響下煤層開(kāi)采黃土溝壑地形地表沉陷規(guī)律的研究相對(duì)較少，為此，本文針對(duì)陜北某礦3301采空區(qū)以及3302工作面進(jìn)行三維模型構(gòu)建以及開(kāi)采沉陷分析。分析研究對(duì)于黃土溝壑地形下相鄰工作面開(kāi)采地表移動(dòng)變形規(guī)律研究具有一定的參考意見(jiàn)。

1 工程概況

本次研究區(qū)域?yàn)殛儽蹦车V同一煤層3301采空區(qū)以及3302工作面，工作面相對(duì)位置見(jiàn)圖1。工作面所處為陜北黃土溝壑地形，3302工作面走向長(zhǎng)4 200 m，傾向長(zhǎng)240 m，采高平均3 m，采深平均232 m，煤層近水平，采用走向長(zhǎng)壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板。煤層頂板巖性為粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖；底板巖性以泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖[9]。

圖1 3301及3302工作面位置及等高線圖

2 數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值模型建立

以煤礦地質(zhì)采礦條件為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)測(cè)地表等高線、地表鉆孔數(shù)據(jù)繪制地表地形及各地層，地層及相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。確定模型尺寸為4 600 m×840 m×300 m，模型共劃分1 211 636個(gè)單元，226 773個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型見(jiàn)圖2。模型前后左右面以及底面施加位移約束，不考慮構(gòu)造應(yīng)力影響，頂部為自由面，只施加重力[10]。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

表1 地層及相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果及分析

通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)條件1單一工作面回采以及條件2相鄰采空區(qū)影響下工作面回采的覆巖垂直應(yīng)力分布進(jìn)行分析，兩種條件下的應(yīng)力分布剖面圖如圖3所示。條件2下回采上覆巖層應(yīng)力經(jīng)歷了兩次擾動(dòng)、兩次平衡過(guò)程，周邊煤巖體以及采空區(qū)上覆巖體承擔(dān)了采動(dòng)帶來(lái)的應(yīng)力變化。通過(guò)圖3對(duì)比可知，條件1回采對(duì)周?chē)簬r體的應(yīng)力響應(yīng)要小于條件2回采，且條件1上覆巖體及煤柱應(yīng)力呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)性分布。條件2回采過(guò)程中，采空區(qū)側(cè)煤柱及上部煤巖體再次受到壓力破壞，采空區(qū)側(cè)應(yīng)力要大于回采側(cè)應(yīng)力，導(dǎo)致兩個(gè)工作面中間煤柱沿采空區(qū)側(cè)破損。

圖3 開(kāi)采覆巖垂直應(yīng)力傾向剖面圖

將模擬穩(wěn)定后地表移動(dòng)變形值利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件本身自帶的fish語(yǔ)言導(dǎo)出到Sufer中進(jìn)行處理[11]，通過(guò)數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)地表最大下沉值為1 168.95 mm;受采空區(qū)影響工作面開(kāi)采后最大下沉值為2 422.07 mm。通過(guò)地表X、Y、Z方向的位移數(shù)據(jù)得出采空區(qū)形成穩(wěn)定后情況，下沉盆地出現(xiàn)在地表中心偏開(kāi)切眼方向，該地地形為兩面坡體夾擊形成的倒梯形地形，易受采動(dòng)影響發(fā)生滑移，此處造成X、Y位移兩級(jí)分化現(xiàn)象；根據(jù)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)地表受采動(dòng)影響發(fā)生移動(dòng)變形，變形情況受地表地形影響大，位于溝壑地形邊坡位置地表發(fā)生滑移，移動(dòng)變形量比坡頂要小；采空區(qū)對(duì)相鄰回采工作面有很大影響，相鄰工作面在采空區(qū)影響開(kāi)采下地表移動(dòng)變形要比單一工作面開(kāi)采大，地表下沉盆地在采空區(qū)影響下會(huì)偏向采空區(qū)方向。

根據(jù)數(shù)值模擬得到的地表相關(guān)變形數(shù)據(jù)，同實(shí)際地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表2，對(duì)比發(fā)現(xiàn)模擬值較實(shí)際監(jiān)測(cè)值要小，分析原因?yàn)閿?shù)值模擬過(guò)程中，為分析地層中構(gòu)造的影響以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)過(guò)程中地表進(jìn)行土地整改導(dǎo)致監(jiān)測(cè)點(diǎn)位缺失或者重置等原因造成。由于實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中坡體產(chǎn)生滑移，造成下沉值偏大，下沉系數(shù)也較周邊礦區(qū)偏大。

表2 實(shí)際監(jiān)測(cè)值與數(shù)值模擬值對(duì)比

3 結(jié) 語(yǔ)

基于現(xiàn)場(chǎng)鉆孔數(shù)據(jù)以及地表數(shù)據(jù)采集，通過(guò)繪圖軟件繪制三維模型，借用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行研究，分析了黃土溝壑地形下回采工作面相鄰采空區(qū)對(duì)地表移動(dòng)變形的影響，結(jié)果如下：

1) 模擬工作面采掘完成后地表移動(dòng)變形，結(jié)果顯示：只采3301工作面開(kāi)采地表最大下沉值為1 168.95 mm;首采3301復(fù)采3302工作面地表最大下沉值為2 422.07 mm。與實(shí)際監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬值相對(duì)監(jiān)測(cè)值相差不大。

2) 回采工作面受采空區(qū)影響，地表最大下沉點(diǎn)偏向采空區(qū)方向，地表呈現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)下沉，且回采工作面也對(duì)采空區(qū)進(jìn)一步活化，使其移動(dòng)變形加大。

3) 工作面回采導(dǎo)致地表移動(dòng)變形，變形受地表地形影響較大，位于溝壑地形邊坡位置地表發(fā)生滑移，移動(dòng)變形量比坡頂要小。