龐廣彥

（菏澤市測繪研究院 山東菏澤 274000）

1 引言

隨著人們生活水平的提高，煤炭資源需求量越來越大，淺部煤炭資源越來越少，礦區(qū)采煤逐漸向深部延伸，深部開采相較于淺部開采礦井力學環(huán)境發(fā)生了較大的改變，地表變形特征與淺部煤礦開采存在著較大的區(qū)別。在深部條帶開采地表變形規(guī)律方面，國內(nèi)眾多學者做了大量的研究。郭文兵[1-3]主張深部條帶開采，當開采寬度較大時可以使用全部開挖的預測參數(shù)，用多個單一工作面開挖影響疊加進行預測。劉義新[4-7]對工作面地表變形實測數(shù)據(jù)進行分析，得到了松散層較厚的情況下深部開采地表變形靜態(tài)、動態(tài)特征和地表移動參數(shù)。何萬龍[8]在研究大量預測模型的基礎(chǔ)上提出了針對山區(qū)開采地表移動預測計算模型和方法。李增琪[9－10]利用地表移動、覆巖移動以及礦壓的三維算法，建立了覆巖運動的三維層狀模型，對覆巖的變形進行了分析。本文以山東某礦地質(zhì)采礦條件為研究背景，使用FLAC 模擬軟件結(jié)合MATLAB 數(shù)據(jù)分析軟件，對深部條帶開采工作面采動程度增大時的地表變形動態(tài)規(guī)律進行分析，分析采寬逐漸增大時地表移動規(guī)律，以及采動程度等因素對深部條帶開采地表移動變形規(guī)律的影響，為后續(xù)的深部條帶開采地表動態(tài)移動變形規(guī)律提供了基礎(chǔ)。

2 數(shù)值模型的建立

為研究深部條帶開采地表變形特征，深入分析深部條帶開采條件下地表變形規(guī)律的影響因素，本文以山東某礦105、106、107、108、109 五個條帶工作面為研究背景，采用FLAC 數(shù)值模擬軟件并結(jié)合礦區(qū)工作面的地質(zhì)采礦條件，進行數(shù)值模擬研究。建立了多個FLAC 數(shù)值模擬方案，分析了煤礦開采分步推進期間地表變形特征及變形規(guī)律，以及采深與采動程度等因素對深部條帶開采地表移動變形規(guī)律的影響。對采動程度與深部條帶開采地表移動規(guī)律的關(guān)系進行分析：結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)條件，設(shè)計了20 個數(shù)值模擬方案：當開采深度分別為700m、800m、900m、1000m 時，對5 個條帶工作面進行逐步開采，開采寬度分別為260m、520m、780m、1040m、1300m，條帶工作面分布示意圖如圖1 所示。

圖1 條帶工作面分布示意圖

為了研究方便，對地層做了簡化處理，充分考慮采空區(qū)對地表沉降影響范圍，傾向方向采空區(qū)兩側(cè)每邊各留有750m 煤柱，走向方向每邊各留820m 煤柱，以便消除邊界對模型的影響程度，模型的尺寸分別為2800m、2500m、1000m。由于煤層傾角較小，深部條帶開采時該傾角對地表變形的影響很小，因此本次模擬只針對水平煤層進行研究，采厚6m。各方案巖層參數(shù)、網(wǎng)格密度等因素均一致，對每個條帶工作面進行分步開挖模擬，每次推進距離設(shè)定為100m，且工作面每次推進后設(shè)定一定時步進行迭代。采用FLAC 軟件計算，可以較為精確地確定巖體的空間受力狀況。根據(jù)礦區(qū)實測地質(zhì)資料建立數(shù)值模型，具體模型見圖2。

圖2 計算模型

根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)資料并結(jié)合其他學者的經(jīng)驗數(shù)據(jù)[11－12]，綜合確定地層組合及力學參數(shù)如表1 所示。

表1 巖層物理力學參數(shù)表

3 FLAC 數(shù)值模擬結(jié)果分析研究

3.1 FLAC 數(shù)值模擬結(jié)果

結(jié)合實際布點情況，模擬煤層開挖、計算前，選取一些點來記錄走向和傾向方向地表垂直和水平位移。條帶開采105、106、107、108、109 工作面，開采深度分別為700m、800m、900m、1000m，依次采掘5 個條帶工作面，平均采厚為6m。工作面走向長度1000m，依次對不同采動程度及采深條件下的條帶工作面進行開采模擬計算。將各模型模擬數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，并使用MTLAB 軟件繪制成曲線圖，然后把同一采深的數(shù)據(jù)繪制到同一幅圖中，能夠更為清晰的看出不同采寬條件下地表變形規(guī)律，變形曲線圖如圖3、圖4 所示。

根據(jù)圖3、圖4 可知，深部開采地表沉降與水平變形曲線有如下特征：

（1）地表最大沉降值位置隨采掘條帶個數(shù)的不同而不同，雖采深不同，但最大沉降值始終位于采空區(qū)中心正上方，地表沉降曲線關(guān)于采空區(qū)中心對稱，隨著采寬的增加，地表沉降盆地范圍逐漸擴大。

（2）水平移動值在采空區(qū)中心處接近零，由采空區(qū)向兩側(cè)水平移動值先增大后減小，在采空區(qū)邊緣處值最大。

（3）地表下沉降值與水平移動值和采區(qū)寬度呈正相關(guān)。當開采尺寸繼續(xù)增大接近于充分采動時，地表沉降值與水平移動值增大幅度減緩；當達到充分采動后，地表最大沉降值與水平移動值不再增大，地表移動趨近于穩(wěn)定狀態(tài)，地表沉降盆地呈現(xiàn)出平底形態(tài)。

圖3 不同采動程度的地表下沉曲線

圖4 不同采動程度的地表水平移動曲線

（4）采掘條帶個數(shù)同時，地表沉降值與水平移動值均隨著開采深度的增加而減小。

3.2 采動程度與地表下沉系數(shù)及水平移動系數(shù)的關(guān)系

通過上述數(shù)值模擬求得不同情況下的最大下沉值、最大水平移動值，根據(jù)最大下沉值、煤層開采厚度、煤層傾角、工作面走向以及傾向長度，計算出下沉系數(shù)，水平移動系數(shù)b，采動程度系數(shù)n，計算公式如下：

為對不同采動程度下的地表變形規(guī)律進行分析，根據(jù)各模擬方案的最大下沉值與最大水平移動值，計算各方案的采動程度系數(shù)n、地表下沉系數(shù)q及水平移動系數(shù)b，見表2。

表2 不同采深及采動程度下的數(shù)值模擬結(jié)果

由表2 可知不同采深情況下的采動程度系數(shù)，使用MTLAB 數(shù)據(jù)處理軟件擬合出其與下沉系數(shù)和水平移動系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。不同采深條件下采動程度系數(shù)與地表下沉系數(shù)及水平移動系數(shù)的擬合曲線以及擬合函數(shù)式如圖5 所示。

通過表2 和圖5 可以得知，采動程度系數(shù)和地表下沉系數(shù)呈正相關(guān)，和水平移動系數(shù)呈負相關(guān)，但最終都趨于穩(wěn)定。下沉系數(shù)的上升速度隨采動程度系數(shù)的增大而減小，最終下沉系數(shù)將趨于一穩(wěn)定值。同時也可以看出當采掘范圍到達某一程度時，下沉系數(shù)基本趨向于某一常數(shù)，表明礦區(qū)達到充分采動，從而可以得知增大采深可以延遲地表沉降，隨著開采深度的增加可以擴大采掘范圍才能使得地表變形達到充分采動。

由上述模擬結(jié)果可得地表沉降值及水平移動值隨采動程度變化的規(guī)律。開采早期，開采范圍有限，水平移動值、地表最大沉降值及下沉系數(shù)較小。隨著采掘尺寸的增大，采動程度隨之增大，上覆巖層結(jié)構(gòu)遭到破壞，導致地表沉降值及水平移動值增加。當采動程度上升到某一程度時，地表沉降值及水平移動值會趨于穩(wěn)定，但是地表影響范圍會繼續(xù)增大。

圖5 不同采動程度下地表下沉系數(shù)與水平移動系數(shù)規(guī)律

3 結(jié)論

本文以山東某礦地質(zhì)采礦條件為背景，采用數(shù)值模擬方法對深部采礦條件下地表變形律進行了研究。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，總結(jié)得到深部條帶開采條件下地表變形特征及規(guī)律：

（1）煤礦開采尺寸對地表變形有著明顯的影響，地表下沉值、水平移動值及下沉影響范圍均隨著開采尺寸的增加而增加；采深增大能夠起到延緩地表下沉的作用。

（2）地表下沉系數(shù)受采動程度的影響較大，兩者關(guān)系呈正相關(guān)，采動程度低時，地表下沉系數(shù)增加的較快，當采動程度較大時，地表下沉系數(shù)增長速率減慢，最終趨于某一常數(shù)；采動程度和地表水平移動系數(shù)呈負相關(guān)，當采動程度較大時，水平移動系數(shù)增加幅度放緩，最終趨于穩(wěn)定。

（3）開采深度對地表變形有明顯影響，隨著采深的增加，地表下沉系數(shù)減小、地表影響范圍增大。表明了增大采深能夠使地表移動變形更為平緩，可以起到保護地面建筑物的作用。