采動巖體移動規律的數值模擬分析

■張瑩 施星波

（甘肅省地礦局第二地質礦產勘查院 甘肅蘭州730020）

采動巖體移動規律的數值模擬分析

■張瑩 施星波

（甘肅省地礦局第二地質礦產勘查院 甘肅蘭州730020）

煤層開采后，上覆巖體會發生運動，造成地表變形破。只有搞清巖體內部移動，才能更加清楚地認識到地表移動機理并從而尋求控制地表移動的最佳方法。本文以某煤礦工作面為例，采用FLAC3D軟件對地下煤層開采過程進行數值模擬，并分析煤層頂板、底板和地表隨開采進行的移動規律。最后得出結論：煤層頂板隨開采過程的進行呈現階段式垮落的規律，頂板的垮落過程也反映在地表位移的變化上；隨著開采進行，煤層底板會發生一定程度的隆起，隆起位置隨開采的推進而推進。

采動巖體移動規律數值模擬煤層開采

1　引言

采礦工程開采引起的巖土體變形，會對礦山工程、地面工程和耕地造成影響和危害，它早已成為采礦工程中的一個重大科學技術課題[1]。學者們對此進行了各方面的分析研究：劉天泉[2]、繆協興和錢鳴高[3]對巖體采動影響進行了綜述；鄧喀中等[4,5]、張永波等[6]、張俊英[7]在相似材料模擬方面取得了進展；李新穎[8]以某采區為例總結分析了非充分開采條件下的地表移動規律；唐東旗等[9]利用FLAC2D軟件在數值模擬方面取得了相關結論。

地下礦層采出后引起地表變形是一個非常復雜的時間和空間發展過程，而地表的變形是由于內部巖體移動的結果。對采動巖體變形進行數值模擬可以得到內部巖體的變形規律，繼而分析其對地表變形的影響。因此，本文以某煤礦工作面為例，采用FLAC3D軟件對地下煤層開采過程進行數值模擬，然后分析煤層頂板、底板和地表隨開采進行的移動規律。

2　采動巖體的動態移動過程

根據文獻[1]，采動巖體的動態移動過程如下：當工作面推進距離小于頂板巖體的極限跨距時，頂板巖體不會垮落。當工作面推進距離大于頂板巖體的極限跨距時，頂板巖體初次垮落，但垮落巖體不足以充滿采空區。隨著工作面的繼續推進，工作面前方未垮落巖體仍能支撐上覆巖體，形成懸梁，此時覆巖的移動可看成是工作面前方附近懸臂梁的彎曲和后方彈性基礎上梁的彎曲。隨著工作面再推進，前方懸臂梁斷裂垮落。巖層移動就是隨工作面推進，前方懸梁周期性垮落，破裂區上方簡支梁斷裂垮落，上部未斷裂巖梁位置逐漸上移，直到地表達到充分采動。

3　煤礦工作面概述

本文以內蒙古唐公塔煤礦某一工作面為例進行分析。該工作面南北向長400m，東西向寬183m，煤層埋深140~200m，煤層平均厚度10m。該區地層由老到新為：下奧陶統亮甲山組、中石炭統本溪組、上石炭統太原組、下二疊統山西組、下二疊統下石盒子組、上新統、上更新統，各項參數見表1。

表1　參數表

4　模型建立及計算

本文采用FLAC3D程序進行數值模擬和計算。建好的模型共計50760單元，55071節點。計算時，約束x、y軸方向的法向位移以及z軸方向的底部所有點位移。采煤過程的模擬是將工作面范圍內的煤層賦空單元，采用與實際煤層開采比較接近的分步開采模擬，開采共分40步進行，每次開采10m。

5　計算結果分析與討論

5.1煤層頂板移動規律

當地下煤層被采出后，采空區直接頂板巖層產生向下的移動和彎曲，當其內部拉應力超過巖層的抗拉強度極限時，直接頂板首先斷裂、破碎相繼冒落。煤層頂板在煤層開采至40m時開始垮落，并且開采至70m時，再次發生整體垮落，以后頂板的垮落過程亦相同，每30m發生一次垮落。煤層頂板隨開采過程的進行呈現階段式變化的規律。這與前述的采動巖體的動態移動過程一致，頂板未垮落前，可看做是固支梁，初次垮落后，煤層繼續開采，頂板這時可看做是懸臂梁，每一階段的破壞基本相同，因此會出現數值模擬中的頂板階段性坍塌的結果。

5.2地表移動規律

地表移動是巖體移動的外在表現，圖1為隨著開采進行，地表最大沉降值的變化，在開采到第4步（40m）時，地表開始沉降，同時開始有水平位移。在開采至260m之前，地表沉降和水平位移隨開采的進行呈現階梯式變化的規律。開采約30m時位移發生一次明顯的變化。與煤層頂板的垮落過程一致。地表沉降在開采到260m時，基本達到了穩定，水平位移更早達到穩定不再發生大的變化，即開采到260m時南北方向上達到充分采動。達到充分采動之后，隨著開采的繼續進行，地表最大沉降和最大水平移動不再發生大的變化，只有開采范圍的擴大。

圖1　地表最大沉降值圖

5.3煤層底板移動規律

通過數值模擬發現隨著開采的進行，煤層底板會發生一定程度的隆起，這是由于煤層頂、底板巖層內形成減壓區，使巖層像彈性恢復那樣發生膨脹。隆起位置位于煤層剛被開采的位置，隨著開采的進行，煤層頂板垮落繼而上覆巖體垮、壓實，因而底板隆起的位置隨著開采的推進而推進。本文進行的數值模擬中，隆起最高處z位移基本不變，約為0.03m。

6　結論

（1）煤層頂板隨開采過程的進行呈現階段式變化的規律。

（2）地表達到充分采動前，地表最大沉降值和最大水平位移值隨開采的進行呈現階梯式變化的規律，與煤層頂板的垮落過程一致。達到充分采動之后，隨著開采的繼續進行，地表最大沉降和最大水平移動不再發生大的變化，只有開采范圍的擴大。

（3）隨著開采的進行，煤層底板會發生一定程度的隆起，隆起位置位于煤層剛被開采的位置，隨著開采的進行，煤層頂板垮落繼而上覆巖體垮、壓實，因而底板隆起的位置隨著開采的推進而推進。

[1]鄒友峰，鄧喀中，馬偉民.礦山開采沉陷工程 [M].江蘇：中國礦業大學出版社，2003.

[2]劉天泉.礦山巖體采動影響與控制工程學及其應用 [J].煤炭學報.1995(1).

[3]繆協興，錢鳴高.采動巖體的關鍵層理論研究新進展 [J].中國礦業大學學報.2000 (1).

[4]鄧喀中，周鳴，譚志祥，等.采動巖體破裂規律的試驗研究 [J].中國礦業大學學報.1998(3).

[5]王悅漢，鄧喀中，吳侃，等.采動巖體動態力學模型 [J].巖石力學與工程學報. 2003(3):352-357.

[6]張永波，靳鐘銘，劉秀英.采動巖體裂隙分形相關規律的實驗研究 [J].巖石力學與工程學報.2004(20):3426-3429.

[7]張俊英.采動破碎巖體的動態碎脹性物理模擬的研究 [J].選煤技術.2006(S1): 69-72.

[8]李新穎.非充分采動采區地表移動的規律探索 [J].煤炭技術.2007(11):109-111. [9]唐東旗，侯江濤，李權國，等.斷裂帶巖體采動效應的數值模擬研究 [J].煤炭技術.2010(12):58-59.

TD82[文獻碼]B

1000-405X（2016）-2-123-2

張瑩（1985～），女，助理工程師，研究方向為地質災害調查。