采动岩体移动规律的数值模拟分析

■张莹 施星波

（甘肃省地矿局第二地质矿产勘查院 甘肃兰州730020）

采动岩体移动规律的数值模拟分析

■张莹 施星波

（甘肃省地矿局第二地质矿产勘查院 甘肃兰州730020）

煤层开采后，上覆岩体会发生运动，造成地表变形破。只有搞清岩体内部移动，才能更加清楚地认识到地表移动机理并从而寻求控制地表移动的最佳方法。本文以某煤矿工作面为例，采用FLAC3D软件对地下煤层开采过程进行数值模拟，并分析煤层顶板、底板和地表随开采进行的移动规律。最后得出结论：煤层顶板随开采过程的进行呈现阶段式垮落的规律，顶板的垮落过程也反映在地表位移的变化上；随着开采进行，煤层底板会发生一定程度的隆起，隆起位置随开采的推进而推进。

采动岩体移动规律数值模拟煤层开采

1　引言

采矿工程开采引起的岩土体变形，会对矿山工程、地面工程和耕地造成影响和危害，它早已成为采矿工程中的一个重大科学技术课题[1]。学者们对此进行了各方面的分析研究：刘天泉[2]、缪协兴和钱鸣高[3]对岩体采动影响进行了综述；邓喀中等[4,5]、张永波等[6]、张俊英[7]在相似材料模拟方面取得了进展；李新颖[8]以某采区为例总结分析了非充分开采条件下的地表移动规律；唐东旗等[9]利用FLAC2D软件在数值模拟方面取得了相关结论。

地下矿层采出后引起地表变形是一个非常复杂的时间和空间发展过程，而地表的变形是由于内部岩体移动的结果。对采动岩体变形进行数值模拟可以得到内部岩体的变形规律，继而分析其对地表变形的影响。因此，本文以某煤矿工作面为例，采用FLAC3D软件对地下煤层开采过程进行数值模拟，然后分析煤层顶板、底板和地表随开采进行的移动规律。

2　采动岩体的动态移动过程

根据文献[1]，采动岩体的动态移动过程如下：当工作面推进距离小于顶板岩体的极限跨距时，顶板岩体不会垮落。当工作面推进距离大于顶板岩体的极限跨距时，顶板岩体初次垮落，但垮落岩体不足以充满采空区。随着工作面的继续推进，工作面前方未垮落岩体仍能支撑上覆岩体，形成悬梁，此时覆岩的移动可看成是工作面前方附近悬臂梁的弯曲和后方弹性基础上梁的弯曲。随着工作面再推进，前方悬臂梁断裂垮落。岩层移动就是随工作面推进，前方悬梁周期性垮落，破裂区上方简支梁断裂垮落，上部未断裂岩梁位置逐渐上移，直到地表达到充分采动。

3　煤矿工作面概述

本文以内蒙古唐公塔煤矿某一工作面为例进行分析。该工作面南北向长400m，东西向宽183m，煤层埋深140~200m，煤层平均厚度10m。该区地层由老到新为：下奥陶统亮甲山组、中石炭统本溪组、上石炭统太原组、下二叠统山西组、下二叠统下石盒子组、上新统、上更新统，各项参数见表1。

表1　参数表

4　模型建立及计算

本文采用FLAC3D程序进行数值模拟和计算。建好的模型共计50760单元，55071节点。计算时，约束x、y轴方向的法向位移以及z轴方向的底部所有点位移。采煤过程的模拟是将工作面范围内的煤层赋空单元，采用与实际煤层开采比较接近的分步开采模拟，开采共分40步进行，每次开采10m。

5　计算结果分析与讨论

5.1煤层顶板移动规律

当地下煤层被采出后，采空区直接顶板岩层产生向下的移动和弯曲，当其内部拉应力超过岩层的抗拉强度极限时，直接顶板首先断裂、破碎相继冒落。煤层顶板在煤层开采至40m时开始垮落，并且开采至70m时，再次发生整体垮落，以后顶板的垮落过程亦相同，每30m发生一次垮落。煤层顶板随开采过程的进行呈现阶段式变化的规律。这与前述的采动岩体的动态移动过程一致，顶板未垮落前，可看做是固支梁，初次垮落后，煤层继续开采，顶板这时可看做是悬臂梁，每一阶段的破坏基本相同，因此会出现数值模拟中的顶板阶段性坍塌的结果。

5.2地表移动规律

地表移动是岩体移动的外在表现，图1为随着开采进行，地表最大沉降值的变化，在开采到第4步（40m）时，地表开始沉降，同时开始有水平位移。在开采至260m之前，地表沉降和水平位移随开采的进行呈现阶梯式变化的规律。开采约30m时位移发生一次明显的变化。与煤层顶板的垮落过程一致。地表沉降在开采到260m时，基本达到了稳定，水平位移更早达到稳定不再发生大的变化，即开采到260m时南北方向上达到充分采动。达到充分采动之后，随着开采的继续进行，地表最大沉降和最大水平移动不再发生大的变化，只有开采范围的扩大。

图1　地表最大沉降值图

5.3煤层底板移动规律

通过数值模拟发现随着开采的进行，煤层底板会发生一定程度的隆起，这是由于煤层顶、底板岩层内形成减压区，使岩层像弹性恢复那样发生膨胀。隆起位置位于煤层刚被开采的位置，随着开采的进行，煤层顶板垮落继而上覆岩体垮、压实，因而底板隆起的位置随着开采的推进而推进。本文进行的数值模拟中，隆起最高处z位移基本不变，约为0.03m。

6　结论

（1）煤层顶板随开采过程的进行呈现阶段式变化的规律。

（2）地表达到充分采动前，地表最大沉降值和最大水平位移值随开采的进行呈现阶梯式变化的规律，与煤层顶板的垮落过程一致。达到充分采动之后，随着开采的继续进行，地表最大沉降和最大水平移动不再发生大的变化，只有开采范围的扩大。

（3）随着开采的进行，煤层底板会发生一定程度的隆起，隆起位置位于煤层刚被开采的位置，随着开采的进行，煤层顶板垮落继而上覆岩体垮、压实，因而底板隆起的位置随着开采的推进而推进。

[1]邹友峰，邓喀中，马伟民.矿山开采沉陷工程 [M].江苏：中国矿业大学出版社，2003.

[2]刘天泉.矿山岩体采动影响与控制工程学及其应用 [J].煤炭学报.1995(1).

[3]缪协兴，钱鸣高.采动岩体的关键层理论研究新进展 [J].中国矿业大学学报.2000 (1).

[4]邓喀中，周鸣，谭志祥，等.采动岩体破裂规律的试验研究 [J].中国矿业大学学报.1998(3).

[5]王悦汉，邓喀中，吴侃，等.采动岩体动态力学模型 [J].岩石力学与工程学报. 2003(3):352-357.

[6]张永波，靳钟铭，刘秀英.采动岩体裂隙分形相关规律的实验研究 [J].岩石力学与工程学报.2004(20):3426-3429.

[7]张俊英.采动破碎岩体的动态碎胀性物理模拟的研究 [J].选煤技术.2006(S1): 69-72.

[8]李新颖.非充分采动采区地表移动的规律探索 [J].煤炭技术.2007(11):109-111. [9]唐东旗，侯江涛，李权国，等.断裂带岩体采动效应的数值模拟研究 [J].煤炭技术.2010(12):58-59.

TD82[文献码]B

1000-405X（2016）-2-123-2

张莹（1985～），女，助理工程师，研究方向为地质灾害调查。