王云平，趙德深,2，郭東亮

(1.大連大學 遼寧省復雜結構體系災害預測與防治重點實驗室, 遼寧 大連116622；

2. 大連大學 遼寧省高校重點巖土與結構工程與技術研究中心, 遼寧 大連 116622;

3.河南省朝陽建筑設計有限公司， 河南 鄭州 450000)

?

滲流下不同覆巖結構長壁開采上覆巖層運動數(shù)值分析

王云平1，趙德深1,2，郭東亮3

(1.大連大學 遼寧省復雜結構體系災害預測與防治重點實驗室, 遼寧 大連116622；

2. 大連大學 遼寧省高校重點巖土與結構工程與技術研究中心, 遼寧 大連 116622;

3.河南省朝陽建筑設計有限公司， 河南 鄭州 450000)

摘要：以煤礦四種不同覆巖結構在滲流作用下的開采為研討對象，運用數(shù)值有限元軟件ADINA模擬分析不同覆巖巖性及其組合時采空區(qū)上覆巖層的沉降規(guī)律和地表變形規(guī)律。結果顯示：開采完成時各覆巖結構的地表均形成了完全對稱的下沉盆地和反對稱水平移動曲線，開切眼和工作面正上方拐點處的下沉值均為最大下沉值的一半，從邊界到拐點處曲線的斜率逐漸增大，從拐點到中心點曲線的斜率逐漸變小；最大位移值因上覆巖性的不同而有所不同，地表的最大沉降值為3.80 m，最小沉降值為2.34 m；底板的底鼓量相差不大，最大值和最小值僅相差0.17 mm。研究結果對其他煤礦工作面的礦壓分布規(guī)律研究提供參考依據(jù)，同時也為煤礦的安全高效開采提供一定的借鑒意義。

關鍵詞：不同覆巖結構；巖層沉降規(guī)律；地表變形規(guī)律；滲流

隨著中國發(fā)展的步伐加快，煤炭的需求量也越來越多[1-3]，然而煤礦大面積的開采必定破壞了其原始應力狀態(tài)，在應力重新平衡過程中將會使得覆巖發(fā)生斷裂、冒落和彎曲[4-7]進而引發(fā)地面沉陷、建筑物倒塌等一些災害現(xiàn)象，嚴重危及了人的生命[8-10]。因此，研究煤層開采過程中不同覆巖組合上覆巖層的運動變化情況，不僅是礦井安全生產(chǎn)的關鍵，更是地表沉陷治理的基礎[11]。因ADINA有限元軟件有網(wǎng)格劃分自由、節(jié)點數(shù)多、處理簡便完備等優(yōu)點，便于應用于煤礦開采中的災害預測與防治[12-14]。所以本文運用ADINA有限元軟件模擬分析比較不同覆巖結構開采上覆巖層運動和破壞的規(guī)律，為回采工作面礦壓分布規(guī)律研究提供參考依據(jù)，同時也為煤礦的安全高效開采提供保障[15-17]。

1工程概況

煤層走向大體呈北西方向，巖層傾斜平緩，一般在7°～9°間，由48個拐點圈定，礦區(qū)南北長8.69 km，東西傾斜寬3.29 km，面積為28.5671 km2。不同工作面的上覆巖巖性結構有堅硬—堅硬型、軟弱—堅硬型、堅硬—軟弱型、硬軟交替型等。為了減少開采深度、采厚、煤層傾角、地表水深等因素對不同覆巖力學模型的影響，因此將開采條件統(tǒng)一如下：開采深度H=733 m，煤層采出厚度M=9 m，傾向長度L=120 m,走向長度D=1 200 m，煤層傾角α=7°，地表水庫水深取最大水深5.58 m。煤巖物理力學和水力學參數(shù)見表1，所需流體的體積模量為2.3 GPa，流體密度為1 000 kg/m3。其中四種工況的覆巖巖性結構組合依次為：堅硬—堅硬型：R1+R2+R3+R14+R5+R14+R7+R9+R8+R7+R9+R8+R11+R13+R12+R11；軟弱—堅硬型:R1+R2+R7+R8+R7+R9+R7+R11+R2+R15+R15+R17+R19+R13+R12+R11；軟弱—堅硬型：R1+R2+R4+R15+R18+R18+R16+R6+R6+R5+R6+R8+R10+R13+R12+R11；軟弱—堅硬型：R1+R2+R20+R17+R21+R15+R21+R18+R21+R7+R9+R15+R10+R13+R12+R11。

表1　煤巖物理力學、水力學參數(shù)

2模型的建立

2.1幾何尺寸

煤層開采深度H=733 m，采厚M=9 m，工作面走向長度D=795 m，煤層傾角α=0°，地表水庫水深5.58 m，為消除邊界影響，左右各取280 m、底部取200 m作為邊界影響區(qū)。最終不同覆巖結構的數(shù)值模型尺寸統(tǒng)一如下：Y×Z=1 355 m×802 m，Y為走向，Z為深度方向。每次推進15 m，依次推進795 m結束，共模擬15組巖層，1層煤層， 1層地表水,17個單元組，5 994單元，6 234節(jié)點。圖1為計算模型示意圖。

圖1煤礦工作面示意圖

2.2邊界條件

模型邊界條件包括力學邊界條件、滲流邊界。力學邊界：左右邊界施加水平約束,水平位移為零；底部邊界固定,水平和豎直位移均為零。滲流邊界條件:模型左右邊界和底部邊界設置為不透水邊界，在第四系與潛水接觸面設置流固耦合邊界，水庫表面為自由面。

2.3屈服準則和覆巖破壞判據(jù)

屈服準則采用Mohr-Coulomb屈服準則。把σ1>σt作為覆巖發(fā)生的破壞判據(jù)。

3數(shù)值模擬與分析

3.1覆巖垂直位移場的分析

煤層開挖引起了覆巖的應力重分布，在應力平衡的過程中，會發(fā)生采空區(qū)上方巖體下沉以及煤層底板隆起等巖層移動，但上述巖層移動的大小會因上覆巖巖性的大小而有所不同。圖2～圖3分別表示工作面推進135 m、405 m時不同覆巖模型垂直位移場的分布。從中可以看出：頂板的下沉量因上覆巖層的巖性不同有著較大的差異，一般復合巖性的地層下沉量較均勻巖性地層的下沉量大，而底板的上鼓量則基本相同。

(1) 圖2表示開挖工作面推進135 m時垂直位移場的分布，從圖2可以看出：回采擾動均導致上覆巖層發(fā)生較明顯的下沉，且工作面的開采都已經(jīng)開始波及地表，形成下沉盆地。頂板的下沉量因上覆巖性的不同有較大的差異，頂板的下沉量從大到小依次為：軟弱—堅硬型為0.88 m、堅硬—軟弱型為0.84 m、硬軟交替型為0.72 m、堅硬—堅硬型為0.64 m。上覆巖性不同對地板的上鼓量影響較小，各覆巖結構的底鼓均為12 cm左右。

圖2煤層工作面推進135 m時不同覆巖

模型垂直位移場分布圖

(2) 當開挖工作面推進405 m時，垂直位移場的分布如圖3所示：隨著煤層向前開挖,回采擾動影響加劇，覆巖整體下沉量急劇增大，位移等值環(huán)狀云圖拱頂均已發(fā)育到地表，引起土層整體變形。頂板下沉量的相對大小關系與工作面推進60 m時的規(guī)律相同，頂板的下沉量從大到小依次為：軟弱—堅硬型為3.5 m、堅硬—軟弱型為2.9 m、硬軟交替型為2.1 m、堅硬—堅硬型為1.67 m。底板的底鼓量相差不大：堅硬—軟弱型最大為19.26 mm，軟弱—堅硬型最小為18.09 mm，底板底鼓的最大值和最小值僅相差0.17 mm。

圖3煤層工作面推進405 m時不同覆巖

模型垂直位移場分布圖

(3) 當開挖工作面推進795 m時模擬結束，此時的位移分布規(guī)律為：不同覆巖結構模型基本以采空區(qū)中央軸為軸對稱分布，在堅硬—軟弱型覆巖結構中，當下方硬巖彎曲后，由于上方的軟巖層突然失去下方硬巖層的支撐，在硬巖層與其上覆的軟巖層間不出現(xiàn)離層現(xiàn)象而是同步產(chǎn)生彎曲下沉；在軟弱—堅硬覆巖結構條件下，其下方的軟巖彎曲下沉后，由于上方硬巖自身的強度支撐作用，上方硬巖層不與軟巖層呈現(xiàn)整體性運動，而是在兩者交界面處產(chǎn)生離層。頂板的下沉量從大到小依次為：軟弱—堅硬型為7.522 m、堅硬—軟弱型為7.029 m、硬軟交替型為6.390 m、堅硬—堅硬型為5.085 m。底板的底鼓量相差不大，從大到小依次為：堅硬—堅硬型為21.49 mm、硬軟交替型為19.91 mm、堅硬—軟弱型為19.85 mm、軟弱—堅硬型為19.42 mm,最大值與最小值僅相差0.17 mm。

3.2地表變形分析

圖4表示開采完成時，即煤層走向推進795 m時水庫和第四系相接的不同覆巖結構的地表沉降量。由圖4可見：開采完成后各覆巖結構的地表均形成了對稱的下沉盆地，開切眼和工作面正上方拐點處的下沉值均為最大下沉值的一半，從邊界到拐點處曲線的斜率逐漸增大，表示下降的幅度逐漸增大；從拐點到中心點曲線的斜率逐漸變小，表示下降的幅度逐漸變小?；夭蓞^(qū)段中心上方最大沉降值因上覆巖性的不同而有所不同，下沉量從大到小依次為：軟弱—堅硬型為3.80 m、堅硬—軟弱型為3.29 m、硬軟交替型為2.85 m、堅硬—堅硬型為2.34 m?？梢?，在其它條件相同時，采空區(qū)上方地表的沉降值隨著上覆巖層的硬度增加而逐漸減小，其中堅硬—堅硬型結構對地表穩(wěn)定是最有利。

圖4開采完成時不同覆巖結構的地表沉降曲線

圖5表示開采完成時，水庫和第四系相接的不同覆巖結構的地表水平變形圖，由圖5可見：工作面開采完成后各覆巖結構的地表均形成了反對稱的水平移動曲線，回采區(qū)段中心正上方地表點的水平移動值并不因上覆巖性結構的變化而變化，其大小一直為0，沉降曲線中拐點對應的水平位移最大。最大水平位移值因上覆巖性的不同而有所不同，下沉量從大到小依次為：下軟上硬覆巖結構為0.62 m、下硬上軟覆巖結構為0.55 m、硬軟交替覆巖結構為0.49 m、硬硬覆巖結構為0.43 m。相應的最大傾斜為3.12 mm/m、2.77 mm/m、2.47 mm/m、2.16 mm/m?？梢?，其它條件相同的情況下，回采區(qū)段中心正上方對應的地表點水平變形為零保持不變，其兩側地表點的水平變形隨著上覆巖層的硬度增加而逐漸減小，其中上硬下硬的巖層結構類型對地表穩(wěn)定是最有利的。

圖5煤層開采完成時不同覆巖結構的地表水平變形圖

4結論

(1) 采空區(qū)開挖和滲流共同作用下導致的頂板的下沉量因上覆巖層的巖性不同有著較大的差異，在其他條件下相同時，頂板的下沉量從小到大依次為：下軟上硬覆巖結構、下硬上軟覆巖結構、硬軟交替覆巖結構和硬硬覆巖結構。

(2) 底板的底鼓量相差不大，工作面推進405 m和540 m時，各不同覆巖結構底鼓的最大值和最小值僅相差0.17 mm。

(3) 開采完成時，采空區(qū)上方地表均形成了對稱的下沉盆地和反對稱的水平變形曲線，最大沉降值和最大水平變形值因上覆巖性的不同而有所不同。最大下沉量從大到小依次為：軟弱—堅硬型結構為3.80 m、堅硬—軟弱型結構為3.29 m、硬軟交替型結構為2.85 m、堅硬—堅硬型結構為2.34 m。

(4) 最大水平位移從大到小依次為：軟弱—堅硬型結構為0.62 m、堅硬—軟弱型結構為0.55 m、硬軟交替型結構為0.49 m、堅硬—堅硬型結構為0.43 m。

參考文獻：

[1]宋洪柱.中國煤炭資源分布特征與勘查開發(fā)前景研究[D].北京：中國地質大學(北京),2013.

[2]方行明,楊錦英,鄭歡.中國煤炭需求增長極限及其調控[J].經(jīng)濟理論與經(jīng)濟管理,2014(12):63-73.

[3]吳金梅.大、中城市煤炭流通趨勢分析[D].北京：中國社會科學院研究生院,2000.

[4]張金虎,吳士良,周茂.不同覆巖結構短壁開采上覆巖層運動的數(shù)值分析[J].西安科技大學學報,2011,31(3):263-266.

[5]郭曉強,竇林名,陸菜平,等.覆巖主關鍵層斷裂規(guī)律研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2011,38(1):23-26.

[6]鄭汝育,吳侃,蔡來良.覆巖彎曲帶動態(tài)沉陷規(guī)律的相似材料模型研究[J].煤炭工程,2010(8):62-65.

[7]梁天書,梁天靈,于海生.開采引起的覆巖冒落及地表沉陷的機理與防護[J].中國安全生產(chǎn)科學技術,2007,3(3):69-71.

[8]邱風,朱勛.中國煤炭行業(yè)安全問題及監(jiān)管對策研究[J].當代經(jīng)濟管理,2007,29(4):57-60.

[9]彭林軍,趙曉東,宋振騏,等.煤礦頂板透水事故預測與控制技術[J].西安科技大學學報,2009,29(2):140-143，153.

[10]陳娟,趙耀江.近十年來我國煤礦事故統(tǒng)計分析及啟示[J].煤炭工程,2012(3):137-139.

[11]陳斌.城市隧道施工引發(fā)的地表沉陷機理研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學,2014.

[12]王小虎.ADINA有限元建模中特征建模技術應用分析[J].四川地質學報,2011,31(4):438-441.

[13]王婉葉.ADINA前處理程序的二次開發(fā)[D].蘭州：蘭州理工大學,2011.

[14]王亞軍,王峰,李約翰.有限元分析系統(tǒng)在結構計算中的比較及展望[J].基建優(yōu)化,2003,24(4):50-52，54.

[15]于元林.大采高孤島采場覆巖運動破壞特征和礦壓顯現(xiàn)研究[D].淮南：安徽理工大學,2007.

[16]陳鎣.同忻煤礦地質動力環(huán)境分析與礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[D].阜新：遼寧工程技術大學,2012.

[17]王方田.淺埋房式采空區(qū)下近距離煤層長壁開采覆巖運動規(guī)律及控制[D].徐州：中國礦業(yè)大學,2012.

Numerical Analysis of Overburden Movement of Mining with Different Overlying Strata Combinations Under the Effects of Seepage

WANG Yunping1, ZHAO Deshen1,2, GUO Dongliang3

(1.KeyLaboratoryofLiaoningProvinceforPrediction&ControlonComplicatedStructureSystem,

DalianUniversity,Dalian,Liaoning116622,China; 2.KeyGeotechnical&StructuralEngineeringResearchCenterofUniversityinLiaoningProvince,DalianUniversity,Dalian,Liaoning116622,China;3.HenanZhaoyangArchitecturalDesignCo.，Ltd.,Zhengzhou,Henan450000,China)

Abstract：Four different overburden structures mining under the action of seepage were analyzed in this paper, the finite element software ADINA was adopted to simulate the sedimentation of different lithology of overlying strata and the deformation law of surface. The results showed that when mining is completed, the surface of overlying strata structure became a completely symmetrical subsidence basin and anti-symmetric horizontal movement curve, the sinking value of open-off cut and the working face above the inflection point was as half of the maximum subsidence, the curve slope from the boundary to the inflection point increased gradually, the curve slope from the inflection point to the center point decreased accordingly. The maximum displacement varied due to overlying lithology. The surface maximum settlement value was 3.80 m, the minimum settlement value was 2.34 m. The floor heave has little difference, the difference between the maximum value and the minimum value was only 0.17 mm. The results could provide guidance for the study of the distribution law of mine pressure in the working surface of the coal mine and the safe and efficient mining.

Keywords:different overburden structure; sedimentation law of strata; deformation law of surface; seepage

文章編號：1672—1144(2016)01—0027—05

中圖分類號：TD325

文獻標識碼：A

作者簡介：王云平(1991—)，男，遼寧大連人，碩士研究生，研究方向為防災減災與地下工程。 E-mail：WangYunPingJG211@163.com通信作者：趙德深(1957—)，男，吉林榆樹人，教授，主要從事礦山開采沉陷理論與控制技術。E-mail: 2826848532@qq.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51274051,51374045)

收稿日期：2015-09-07修稿日期：2015-10-09

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2016.01.006