黃土溝壑地形下相鄰采空區對地表移動變形影響研究

門懋進

(山東科技大學 安全與環境工程學院，山東 青島 266590)

隨著回采工作面的推進，上覆巖層發生斷裂垮落、離層變形，隨著變化向上發展，地表引發移動沉陷變形，當變形達到一定程度后，會對地表建構筑物以及環境造成一定程度的影響以及破壞[1]。針對地表沉陷問題，國內外學者分析了地表移動變形規律，研究了開采對地表建構筑物以及環境的影響[2-5]。湯伏全[6]通過GNSS連續變形監測系統，結合FLAC3D數值模擬軟件，對工作面在相鄰老采空區影響下開采地表移動變形規律進行了研究，揭示了老采空區影響下相鄰回采工作面動態非對稱沉陷規律。賀國偉[7]以地表實測數據為基礎，研究了厚黃土層采煤地表移動變形規律以及相關參數變化。仇美玲[8]利用概率積分法對相鄰工作面開采后地表沉陷進行了預計，并與實測結果進行對比分析，求取移動變形預計參數。然而，目前對同一煤層相鄰采空區影響下煤層開采黃土溝壑地形地表沉陷規律的研究相對較少，為此，本文針對陜北某礦3301采空區以及3302工作面進行三維模型構建以及開采沉陷分析。分析研究對于黃土溝壑地形下相鄰工作面開采地表移動變形規律研究具有一定的參考意見。

1 工程概況

本次研究區域為陜北某礦同一煤層3301采空區以及3302工作面，工作面相對位置見圖1。工作面所處為陜北黃土溝壑地形，3302工作面走向長4 200 m，傾向長240 m，采高平均3 m，采深平均232 m，煤層近水平，采用走向長壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板。煤層頂板巖性為粉砂質泥巖、泥質粉砂巖；底板巖性以泥質粉砂巖、粉砂質泥巖[9]。

圖1 3301及3302工作面位置及等高線圖

2 數值模擬研究

2.1 數值模型建立

以煤礦地質采礦條件為基礎，根據實測地表等高線、地表鉆孔數據繪制地表地形及各地層，地層及相關物理力學參數見表1。確定模型尺寸為4 600 m×840 m×300 m，模型共劃分1 211 636個單元，226 773個節點，模型見圖2。模型前后左右面以及底面施加位移約束，不考慮構造應力影響，頂部為自由面，只施加重力[10]。

圖2 數值計算模型

表1 地層及相關物理力學參數

2.2 模擬結果及分析

通過FLAC3D數值模擬軟件，對條件1單一工作面回采以及條件2相鄰采空區影響下工作面回采的覆巖垂直應力分布進行分析，兩種條件下的應力分布剖面圖如圖3所示。條件2下回采上覆巖層應力經歷了兩次擾動、兩次平衡過程，周邊煤巖體以及采空區上覆巖體承擔了采動帶來的應力變化。通過圖3對比可知，條件1回采對周圍煤巖體的應力響應要小于條件2回采，且條件1上覆巖體及煤柱應力呈現對稱性分布。條件2回采過程中，采空區側煤柱及上部煤巖體再次受到壓力破壞，采空區側應力要大于回采側應力，導致兩個工作面中間煤柱沿采空區側破損。

圖3 開采覆巖垂直應力傾向剖面圖

將模擬穩定后地表移動變形值利用FLAC3D數值模擬軟件本身自帶的fish語言導出到Sufer中進行處理[11]，通過數據處理發現，采空區地表最大下沉值為1 168.95 mm;受采空區影響工作面開采后最大下沉值為2 422.07 mm。通過地表X、Y、Z方向的位移數據得出采空區形成穩定后情況，下沉盆地出現在地表中心偏開切眼方向，該地地形為兩面坡體夾擊形成的倒梯形地形，易受采動影響發生滑移，此處造成X、Y位移兩級分化現象；根據數值模擬發現地表受采動影響發生移動變形，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生滑移，移動變形量比坡頂要小；采空區對相鄰回采工作面有很大影響，相鄰工作面在采空區影響開采下地表移動變形要比單一工作面開采大，地表下沉盆地在采空區影響下會偏向采空區方向。

根據數值模擬得到的地表相關變形數據，同實際地表監測數據結果進行對比，見表2，對比發現模擬值較實際監測值要小，分析原因為數值模擬過程中，為分析地層中構造的影響以及現場實測過程中地表進行土地整改導致監測點位缺失或者重置等原因造成。由于實際監測過程中坡體產生滑移，造成下沉值偏大，下沉系數也較周邊礦區偏大。

表2 實際監測值與數值模擬值對比

3 結 語

基于現場鉆孔數據以及地表數據采集，通過繪圖軟件繪制三維模型，借用FLAC3D數值模擬軟件進行研究，分析了黃土溝壑地形下回采工作面相鄰采空區對地表移動變形的影響，結果如下：

1) 模擬工作面采掘完成后地表移動變形，結果顯示：只采3301工作面開采地表最大下沉值為1 168.95 mm;首采3301復采3302工作面地表最大下沉值為2 422.07 mm。與實際監測值進行對比發現，數值模擬值相對監測值相差不大。

2) 回采工作面受采空區影響，地表最大下沉點偏向采空區方向，地表呈現非對稱下沉，且回采工作面也對采空區進一步活化，使其移動變形加大。

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