趙喜江， 趙榮欣

(黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

?

俯斜和仰斜開采對地表沉降的影響

趙喜江， 趙榮欣

(黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

針對煤炭開采引起的沉降問題，以雞西某礦的地質(zhì)資料為背景，采用CAD建立模型，ANSYS劃分網(wǎng)格，以其作出全面準(zhǔn)確、科學(xué)合理的預(yù)測?；谟邢拊碗x散元有機(jī)結(jié)合的計算軟件CDEM模擬俯斜和仰斜兩種不同的開采方式,進(jìn)行開采沉降分析。結(jié)果表明：在單煤層且厚度不變的條件下，俯斜開采和仰斜開采結(jié)果相似。俯斜開采隨著開采的進(jìn)行，工作面由淺到深，地表移動和變形幅度逐漸減小，變形范圍卻增加。仰斜開采隨著工作面的推進(jìn),采深逐漸減小，地表的移動和變形幅度相對增加，開采擾動的范圍變小。俯斜開采地表沉降量平均位移為0.63 m，仰斜開采地表沉降量平均位移為0.58 m。

開采； 地表沉降； 數(shù)值模擬； CDEM

0 引 言

煤炭是我國主要能源。近幾年，經(jīng)濟(jì)發(fā)展促使煤炭大量開采使用，從而引起了一系列地質(zhì)災(zāi)害問題。煤炭開采引起地表變形、破壞是其中一種主要的災(zāi)害。煤炭開采通常會打破地層原有穩(wěn)定的應(yīng)力平衡狀態(tài)，誘使采空區(qū)上覆巖層變形、破裂。煤礦持續(xù)開采，采空區(qū)面積增加，上覆巖層進(jìn)一步破壞，產(chǎn)生不均勻沉降，采區(qū)范圍內(nèi)最終形成一個比采空區(qū)范圍大的塌陷下沉盆地。由于開采誘發(fā)的大面積不規(guī)則沉降，破壞生態(tài)環(huán)境和損害地面建筑物與設(shè)施，造成安全隱患，所以，我們不僅要研究煤炭開采對地表移動、變形的影響，還要定性、定量地分析和計算地表移動和變形的規(guī)律。目前，對開采沉降的分析研究方法，建立沉降預(yù)測方法的途徑，總體概括開采沉陷理論研究和預(yù)測模型，可以從四個方面進(jìn)行分類：一是根據(jù)實測資料通過經(jīng)驗研究的方法[1-3]；二是基于理論分析的研究方法[4-6]；第三，開采沉陷的模擬研究方法[7-10]；最后即其他的研究方法，主要包括灰色系統(tǒng)理論、3S在開采沉陷變形監(jiān)測中的應(yīng)用和沉陷預(yù)測的可視化技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ANN(Artificial neuralnetwork)、模式模糊識別技術(shù)、時間序列預(yù)測、穩(wěn)健回歸以及特殊地質(zhì)采礦條件下的沉陷預(yù)測方法[11-17]。筆者以雞西某礦地質(zhì)資料為背景，采用數(shù)值模擬的方法研究俯斜和仰斜開采對地表沉降的影響，以期為煤炭開采引起的地表沉降預(yù)測提供參考。

1 模型建立

為研究煤炭開采地表沉降規(guī)律，以雞西某煤礦28#煤層傾斜長壁開采為研究對象。根據(jù)該礦地質(zhì)勘探資料(如綜合柱狀圖、剖面圖等)及其他該區(qū)域內(nèi)相關(guān)資料可知，該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡單，無較大斷層，呈單斜構(gòu)造，區(qū)域內(nèi)僅28#層某塊段可采，可采塊段煤層平均厚度為2 m，傾角為6°～10°，平均傾角為8°，可采塊段煤層走向長為950 m、傾斜長為1 000 m。煤層底板為粉砂巖，厚40 m，煤層上覆巖層分別為厚46 m粉砂巖、厚232 m砂巖、厚180 m泥巖、厚度約為120 m表土層。采用CAD與ANSYS軟件結(jié)合建立模型，CDEM模擬開采引起地表變形破壞的過程,獲得地表變形值和影響范圍。CDEM融合了離散元算法和有限元算法，以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為理論根本，以有限元與離散元的優(yōu)點為核心，所采用的離散單元法將離散模型中的參數(shù)(介質(zhì))用有限元的算法進(jìn)行計算，在破壞面上產(chǎn)生的大變形應(yīng)用離散元算法進(jìn)行計算。

對該礦取得的煤、巖樣進(jìn)行物理力學(xué)實驗，得到各巖層和煤層的力學(xué)參數(shù)和力學(xué)特性。為便于模擬分析開采對地表沉降和移動的影響，自下而上將各地層簡化為底板(粉砂巖)、煤層、直接頂(粉砂巖)、基本頂(粉砂巖)、砂巖、泥巖和表土層七個部分。數(shù)值模擬力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模擬力學(xué)參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)資料采用CAD建立二維模型，從下往上依次為粉砂巖40 m、煤層2 m、粉砂巖46 m、砂巖232 m、泥巖180 m、表土層約120 m。最終得模型尺寸為650 m(高)×1 100 m(長)。利用ANSYS將模型劃分為57個模塊，并對各塊體編號。二維模型如圖1所示。根據(jù)模型尺寸，采用智能尺寸控制，按模塊幾何尺寸使用不同精度的網(wǎng)格劃分，對直接頂和基本頂劃分密集網(wǎng)格。

在CDEM軟件中使用表1中的力學(xué)參數(shù)，對各個塊體賦予相應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)，并把模型設(shè)置成基于Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的遍布節(jié)理模型。即滿足

fs=(σ1-σ3)-2ccosφ-(σ1+σ3)sinφ，

(1)

式中：σ1、σ3——最大、最小主應(yīng)力；

c、φ——內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。

當(dāng)fs<0時，表示巖層將發(fā)生剪切破壞。

在模型地表位置從左往右，每間隔100 mm位置添加一個監(jiān)測點。最后對該模型的邊界施加約束條件：

(1)對塊體位移邊界施加位移約束，固定模型邊界節(jié)點的橫向移動，即模型僅有豎直方向的位移。

(2)對模型底面施加位移約束，即固定底面垂直、水平移動。

(3)模型頂面設(shè)置為自由邊界，不施加約束，見圖1b。

a 模型

b 網(wǎng)格劃分和邊界約束條件

2 結(jié)果分析

煤炭的開采使用空單元體進(jìn)行模擬，沿傾斜方向開采推進(jìn)，每次開采長度為20 m，開采50次，共1 000 m。模擬使用兩種方式，一種是沿傾向自上而下俯斜開采，另一種是沿傾向自下而上仰斜開采。在模擬分析計算過程中，不考慮構(gòu)造應(yīng)力對原巖應(yīng)力的影響，僅將自重應(yīng)力場視為原巖體內(nèi)部初始應(yīng)力。2.1 俯斜開采

自重應(yīng)力平衡計算后，根據(jù)開采計劃，使用空單元模擬俯斜開采，圖2為部分開采模擬過程。由圖2b可知，采空區(qū)頂板下沉量較大，巖層從下往上變形逐漸減小，開采擾動面積大于采空區(qū)面積。由圖2c可知，開采結(jié)束以后變形的區(qū)域面積大于采空區(qū)面積，形成一個中間低洼的盆地。

a 自重應(yīng)力平衡計算

b 第十次俯斜開采

c 第五十次俯斜開采

Fig. 2 Simulation of displacement contour in inclined

mining

圖3是俯斜開采地表下沉的動態(tài)過程曲線，由圖3可知，開采打破原應(yīng)力平衡狀態(tài)，對周圍巖層及地表有明顯的擾動，地表變形下沉。地表下沉值隨著開采工作面推進(jìn)而增加，地表沉降速度均勻，地表最大下沉點隨著工作面由模型邊界向模型中間移動，當(dāng)達(dá)到充分采動時，最大下沉值點停留在采空區(qū)中部地表，呈深部采空區(qū)地表略高于淺部采空區(qū)地表的凹陷盆地。地表最大沉降為0.75 m，最小沉降0.46 m，采區(qū)范圍內(nèi)平均沉降位移0.63 m。

圖3 俯斜開采地表下沉的動態(tài)過程曲線

Fig. 3 Inclined mining dynamic process curves of ground surface subsidence

2.2 仰斜開采

自重應(yīng)力平衡計算后，沿傾斜方向從下向上開采，得到圖4部分仰斜開采位移云圖。圖4a與圖2b對比，在開采面積一樣，深度不同的條件下，深部開采對上覆巖層影響較大，變形擾動區(qū)域面積大于淺部開采。

圖5是仰斜開采地表下沉的動態(tài)過程曲線，由圖5可知，地表有如下移動特征：相較于淺部前期開采，深部開采時對地表擾動范圍大且明顯，但是地表下沉位移較小。仰斜開采地表最大沉降為0.69 m，最小沉降0.42 m，采區(qū)范圍內(nèi)平均沉降位移0.58 m。

a 第十次

b 第五十次

圖5 仰斜開采地表下沉的動態(tài)過程曲線

Fig. 5 Up-dip mining dynamic process curves of ground surface subsidence

3 結(jié) 論

(1)在煤層厚度不變的條件下，俯斜開采隨著開采的進(jìn)行工作面由淺到深，地表受開采影響的移動和變形幅度逐漸減小，開采影響的地表變形范圍卻增加，開采后模型達(dá)到穩(wěn)定時所需要的時間較短。地表沉降最大的位置先是位于淺部采空區(qū)上方，隨著開采的推進(jìn)地表最大下沉點移動到采空區(qū)中部地表且不再移動。

(2)仰斜開采隨著工作面的推進(jìn)采深逐漸減小，每次開采對地表的移動和變形幅度影響增大，開采擾動的范圍變小。

(3)俯斜開采地表最大沉降為0.75 m，最小沉降0.46 m，采區(qū)范圍內(nèi)平均沉降位移0.63 m。仰斜開采地表最大沉降為0.69 m，最小沉降0.42 m，采區(qū)范圍內(nèi)平均沉降位移0.58 m。

[1] 譚志祥, 鄧喀中. 綜放面地表變形預(yù)計參數(shù)綜合分析及應(yīng)用研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2007, 26(5): 1041-1047.

[2] 李文秀, 梁旭黎, 趙勝濤. 地下開采引起地表沉陷預(yù)測的彈性薄板法[J]. 工程力學(xué), 2006, 23(8): 177-181.

[3] 王軍保, 劉新榮, 劉小軍. 開采沉陷動態(tài)預(yù)測模型[J]. 煤炭學(xué)報, 2015, 40(3): 516-521.

[4] 于廣明, 孫洪泉, 趙建峰. 采礦引起地表點動態(tài)下沉的分形增長規(guī)律研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報， 2001， 20(1)： 34-37． [5] 蘇仲杰, 于廣明, 楊 倫. 覆巖離層變形力學(xué)模型及應(yīng)用[J]. 巖土工程學(xué)報, 2002, 24(6): 778-781.

[6] 王 琦, 季 民, 曹品廉, 等. 礦山開采沉陷預(yù)計空間插值方法分析研究[J]. 北京測繪， 2014(5): 1-8.

[7] 尹光志, 王登科, 張位中. (急)傾斜煤層深部開采覆巖變形力學(xué)模型及應(yīng)用[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版, 2006, 29(2): 79-82.[8] 唐巨鵬, 潘一山. ANSYS在煤礦開采數(shù)值模擬中應(yīng)用研究[J]. 巖土力學(xué), 2004, 25(S2): 329-332.

[9] 唐又弛, 曹再學(xué), 朱建軍. 有限元在開采沉陷中的應(yīng)用[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報， 2003, 22(2)： 196-198.

[10] 肖福坤, 申志亮, 劉 剛, 等. 循環(huán)加卸載中滯回環(huán)與彈塑性應(yīng)變能關(guān)系研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2014, 33(9): 1791-1797.

[11] 高明中, 余忠林. 急傾斜煤層開采對地表沉陷影響的數(shù)值模擬[J]. 煤炭學(xué)報, 2003, 28(6): 578-582.

[12] 高明中, 余忠林. 煤礦開采沉陷預(yù)測的數(shù)值模擬[J]. 安徽理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2003, 23(1): 11-17.

[13] 謝和平, 周宏偉, 王金安, 等. FLAC在煤礦開采沉陷預(yù)測中的應(yīng)用及對比分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 1999, 18(4): 397-401.

[14] 劉 瑾, 孫占法, 張永波. 采深和松散層厚度對開采沉陷地表移動變形影響的數(shù)值模擬研究[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2007, 34(4): 88-93．

[15] 肖福坤, 段立群, 葛志會. 采煤工作面底板破裂規(guī)律及瓦斯抽放應(yīng)用[J]. 煤炭學(xué)報, 2010, 35(3): 417-419.

[16] 張榮亮, 麻鳳海, 楊 帆, 等. 運用ANSYS分析開采傾斜煤層引起的地表變形[J]. 中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報, 2006, 17(1): 91-94.

[17] 韓光勝, 程健維, 易光旺. 國外礦山開采沉陷預(yù)計技術(shù)研究及應(yīng)用概述[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2011, 7(10): 41-45.

(編輯 晁曉筠 校對 荀海鑫)

Effect of inclined and oblique mining on ground settlement

ZhaoXijiang，ZhaoRongxin

(School of Mining Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is devoted to a comprehensive, accurate and scientific interpretation prediction of the settlement resulting from coal mining, using the geological data from a coal mine in Jixi as background, applying CAD to build model and using ANSYS to divide the grid. The study works towards mining simulation based on the calculation software CDEM-the organic combination of finite element and discrete element; and mining subsidence analysis using two different mining methods: inclined and oblique one in simulation. The results show that single coal seams accompanied by a unchanged thickness leads to similar results in inclined mining and oblique one; there is a gradually decreasing movement and deformation amplitude, but an increase in deformation range in the surface due to inclined changing from shallow to deep along with the workface of mining; there follows a gradually decreasing mining depth due to the mining depth of workface in oblique mining, coupled with the relative increase in surface movement and deformation amplitude, and consequent smaller mining disturbance range. The study shows the average displacement of 0.63 m and 0.58 m respectively in inclined mining surface subsidence and oblique mining surface subsidence.

mining; ground settlement; numerical simulation; CDEM

2016-05-31

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(12541690)

趙喜江(1968-)，男，黑龍江省海倫人，教授，研究方向：礦山測量，開采沉陷監(jiān)測、預(yù)計及綜合治理,E-mail：zxj680903@sina.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.05.001

TD325

2095-7262(2016)05-0471-04

A