基于UDEC的岩层与地表移动动态模拟研究

刘吉波，廉旭刚，戴华阳，杨国柱，刘 杰

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

基于UDEC的岩层与地表移动动态模拟研究

刘吉波，廉旭刚，戴华阳，杨国柱，刘 杰

(中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

以UDEC为研究平台，讨论了数值计算时的开挖模拟和迭代运算问题。通过计算实验，提出并建立了以开采充分性和推进速度为变量的单元开采迭代次数的计算方法，分析了岩层性质及工作面推进速度等因素对岩层及地表移动变形的影响规律，为岩层及地表动态移动变形的模拟计算提供了参考。

UDEC；岩层与地表移动；数值模拟；迭代次数；开挖模拟

数值模拟软件是研究岩层移动规律的重要手段，很多学者应用数值模拟软件在开采沉陷领域进行了研究。杨天鸿等基于岩体渗流耦合及损伤分析系统，模拟了开采过程中覆岩动态破坏过程及应力场和渗流场演化的过程，提出了岩层渗透性演化受到开采引起的应力重新分配及覆岩损伤累积过程中结构性破坏的分布特征[1]。唐春安应用自主开发的岩石破坏分析系统RFPA2D，分析了采空区上覆岩层的移动变形规律，认为RFPA2D岩层性质、几何条件、移动变形、破坏形态及支撑结构等方面真实地模拟开采过程中岩层发生变形、离层、断裂及地表下沉的规律[2]。李新强等分析了采空区上覆岩层内部移动变形规律，提出了动态分析开采沉陷预计模型，揭示了四大控制岩体运动的要素：即推进速度、覆岩的移动演变、岩体和矸石的流变压缩，并据此编制了专用的有限元分析软件[3]。谢和平院士利用FLAC进行了煤矿开采沉陷预计，并将预计结果和概率积分法做了对比分析，揭示了使用FLAC可模拟真实开采地质条件，指出时间因素与计算迭代次数有关，即计算步数与对应的时间长度成正比，计算步数越大，模型形变越大[4-5]。

但目前对开采沉陷引起的动态岩层及地表移动的数值模拟预计方法研究仍不成熟，未提出基于时间影响的具体模型或方法。为此，本文对数值模拟迭代次数与开采充分度及推进速度的关系进行研究，建立计算匀速开采与非匀速开采时在不同开采充分程度下的地表动态预计模型；分析开采推进速度、岩层性质对岩层及地表移动变形的动态影响过程。

1 瞬时开采岩层及地表移动的传递速度

煤矿开采是连续的推进过程，覆岩及地表移动随着开采空间和时间变化。瞬时开采是假设在某一时间，采出特定区域的全部矿体，即将开采空间看作一常量，地表及覆岩的移动变形仅随采后时间而变化，不受开采空间的影响。借助数值计算软件可模拟实际生产中不存在的开采状况，研究不同开采充分度时，覆岩及地表移动变形与开采破坏传递速度的关系。

假设采动破坏的传递速度与开采的充分程度(宽深比)有关，认为地下煤层开采引起的移动变形传至地表所需的数值模拟迭代次数为传递速度。为了验证假设的正确性，进行了不同采深不同充分度条件下模型开采引起地表下沉10mm的模拟迭代次数统计实验。通过表1分析可知，当开采尺寸一定时，采深对迭代次数具有一定的影响，但与开采充分度相比，其影响较小。

表1 不同采深及开采充分度地表下沉10mm迭代次数

注：D为开采尺寸。

开采充分度的大小与数值模拟中计算步数成反比，即开采越充分，所需计算步数越少。开采充分度在开采沉陷的数值模拟中，起到了重要的作用。

分析上述瞬时开采数值模拟结果，同等程度的地表下沉，开采时步与开采充分程度有很大关系。动态预计模型的建立，需要考虑开采时步与开采充分度及推进速度的关系，从而构建时间与开采尺寸影响的开采时步综合计算公式。

2 动态预计模型建立与验证分析

2.1 动态预计模型建立

模型建立的思想：基于瞬时开采岩层及地表移动的传递速度，以一定尺寸的开采距离为开采单元，建立单元开采后数值模拟迭代次数与开采充分度、推进速度的关系。在推进过程中，开采充分程度起主要作用，因此建立以开采充分度为主，推进速度为辅的迭代次数计算公式。

(1)

式中，ni为开采单元所需的迭代次数；A为模型平衡所需迭代次数；L/H0为推进距离与采深比值；v0为模型无速度影响中值，m/d；vi为开采单元的推进速度，m/d。

当工作面停止后，迭代次数与时间成正比，具体计算公式为：

(2)

式中，Δn为工作面停采后Δt时间内迭代次数；Δt为工作面停采后延续时间，d。

2.2 模型验证分析

2.2.1 数值模型建立

应用通用离散元数值模拟软件(UDEC)，模型建立尺寸为4200m×750m。表2为模型的物理力学参数。地质采矿条件：采深700m，松散层厚度400m，基岩厚度300m，采厚3m，煤层倾角0°。

表2 数值模拟物理力学参数

2.2.2 模拟结果与实测对比分析

开采单元距离为20m，工作面推进过程中，每个开采单元的迭代次数采用公式(1)计算，工作面停采后，仅时间因素对迭代次数有影响，因此利用公式(2)计算。图1为数值模拟预计地表动态下沉曲线，图2为地表动态预计水平移动曲线。通过对比分析，数值模拟结果与实测数据比较吻合。

推进距离：1-500m;2-1000m；3-1500m；4-2000m；5-2600m图1 数值模拟预计下沉与实测下沉对比

推进距离：1-500m;2-1000m；3-1500m；4-2000m；5-2600m图2 数值模拟预计水平移动与实测水平移动对比

3 推进速度及岩性对模拟结果的影响

3.1 推进速度影响分析

3.1.1 地表动态移动变形规律

工作面推进过程中，引起上覆岩层的移动变形随时间变化，推进速度的大小，直接影响岩层移动传递的时间。按照开采单元尺寸100m计算，通过分析匀速推进2m/d，10m/d地表动态下沉曲线(见图3(a)和图3(b))可知，随着推进速度的增大，相同的开采空间，地表移动变形呈变小趋势，岩层的移动时间较少，地表下沉不充分。开采速度较小时，岩层移动时间较长，其地表下沉较为充分。

推进距离：1-300m；2-600m；3-1100m；4-1700m；5-2600m图3 不同匀速开采速度地表动态移动变形曲线

工作面的推进速度对地表动态水平移动(见图3(c)和图3(d))具有与下沉相似的规律，即水平移动量与推进速度成反比。

3.1.2 岩层动态移动变形规律

低速推进时，整个开采过程具有充足的时间将采空区的移动变形通过岩层传递至地表，而快速推进时，采区空间向上覆岩层传递的时间较短，采空区形成较大空间的趋势加强，容易形成上覆岩层的整体下沉。低速推进覆岩移动变形更为充分。

快速推进形成的开采空间上覆岩层的整体性较强，应力分布均匀，覆岩块体跨度较大。低速推进形成的开采空间上覆岩层整体性较弱，应力分布较为集中。

3.2 岩性影响分析

3.2.1 地表动态移动变形规律

通过改变岩石的物理力学参数研究不同软硬程度岩性条件对移动变形的影响规律，如图4所示。

推进距离：1-300m；2-600m；3-1100m；4-1700m；5-2600m图4 不同岩性地表动态移动变形曲线

图4(a)和图4(b)分别为坚硬岩性和软弱岩性地表动态下沉曲线。硬岩条件下，非充分阶段下沉较小，充分及超充分阶段形成整体幅度下沉，当岩性偏软时，地表下沉盆地整体较为充分，下沉幅度明显大于岩性偏硬模型。

图4(c)和图4(d)分别为坚硬岩性和软弱岩性地表动态水平移动曲线，岩性偏硬时，地表水平移动减小，岩性较软时，地表水平移动增加。

3.2.2 岩层动态移动变形规律

软岩条件下，覆岩竖向移动具有与低速推进相似的现象，竖向位移传递速度快；硬岩条件下，累计开采空间区域较大，造成上覆岩层整体移动。

软岩条件下，采空区上方的覆岩垮落较快，应力分布集中，而硬岩条件，采空区易累计形成较大的区域，上覆岩层整体性较强，应力分布均匀。

4 结论

(2)根据数值模拟结果可知，推进速度和岩性对地表移动变形大小及分布形态均具有显著影响。推进速度较小或覆岩岩性较软时，地表容易达到静态移动变形最大值，反之则不易达到。

(3)数值计算分析表明，推进速度较快或岩性较硬时，采空区上覆岩层块体跨度较大，应力分布均匀，覆岩整体移动性较强；而当推进速度较慢或岩性较软时，地表下沉整体较为充分，下沉幅度大于岩性偏硬模型。

[1]杨天鸿，赵兴东，冷雪峰，等.地下开挖引起围岩破坏及其渗透性演化过程仿真[J].岩石力学与工程学报，2003，22(S1)：2386-2389.

[2]唐春安，徐曾和，徐小荷.岩石破裂过程分析RFPA2D系统在采场上覆岩层移动规律研究中的应用[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，1999，21(5)：456-458.

[3]李新强，高延法，张庆松.开采沉陷动态数值仿真研究[J].岩石力学与工程学报，2004，23(1)：86-90.

[4]谢和平，周宏伟，王金安，等.煤矿开采沉陷的岩石力学数值模拟预计方法[A].中国岩石力学与工程学会第五届学术大会[C].上海，1998.

[5]谢和平，周宏伟，王金安，等.FLAC在煤矿开采沉陷预测中的应用及对比分析[J].岩石力学与工程学报，1999，18(4)：29-33.

[责任编辑：王兴库]

Dynamical Simulation of Rock Strata and Surface Movement Based on UDEC

LIU Ji-bo, LIAN Xu-gang, DAI Hua-yang, YANG Guo-zhu, LIU Jie

(Earth Science & Surveying Engineering School, China University of Mining & Technology (Beijing), Beijing 100083, China)

Mining simulation and iteration calculation in numerical simulation was discussed based on UDEC software.A calculation method of zone mining iterations was put forward which took mining sufficiency and mining speed as variables.By this method, the influence rule of rock properties and mining speed on rock and surface movement and deformation were analyzed, which provided reference for simulation and calculation of rock and surface dynamic movement and deformation.

UDEC; rock and surface movement; numerical simulation; iteration number; excavation simulation

2014-03-28

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.03.030

博士学科点专项科研基金项目(20110023110014)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(2009YD05，2010QD01)

刘吉波(1975-)，男，山东招远人，博士研究生，从事开采沉陷、变形监测等方面的研究与应用。

刘吉波，廉旭刚，戴华阳，等.基于UDEC的岩层与地表移动动态模拟研究[J].煤矿开采，2014，19(3)：104-107.

TD325

A

1006-6225(2014)03-0104-04