俯斜和仰斜开采对地表沉降的影响

赵喜江， 赵荣欣

(黑龙江科技大学 矿业工程学院， 哈尔滨 150022)



俯斜和仰斜开采对地表沉降的影响

赵喜江， 赵荣欣

(黑龙江科技大学 矿业工程学院， 哈尔滨 150022)

针对煤炭开采引起的沉降问题，以鸡西某矿的地质资料为背景，采用CAD建立模型，ANSYS划分网格，以其作出全面准确、科学合理的预测。基于有限元和离散元有机结合的计算软件CDEM模拟俯斜和仰斜两种不同的开采方式,进行开采沉降分析。结果表明：在单煤层且厚度不变的条件下，俯斜开采和仰斜开采结果相似。俯斜开采随着开采的进行，工作面由浅到深，地表移动和变形幅度逐渐减小，变形范围却增加。仰斜开采随着工作面的推进,采深逐渐减小，地表的移动和变形幅度相对增加，开采扰动的范围变小。俯斜开采地表沉降量平均位移为0.63 m，仰斜开采地表沉降量平均位移为0.58 m。

开采； 地表沉降； 数值模拟； CDEM

0 引 言

煤炭是我国主要能源。近几年，经济发展促使煤炭大量开采使用，从而引起了一系列地质灾害问题。煤炭开采引起地表变形、破坏是其中一种主要的灾害。煤炭开采通常会打破地层原有稳定的应力平衡状态，诱使采空区上覆岩层变形、破裂。煤矿持续开采，采空区面积增加，上覆岩层进一步破坏，产生不均匀沉降，采区范围内最终形成一个比采空区范围大的塌陷下沉盆地。由于开采诱发的大面积不规则沉降，破坏生态环境和损害地面建筑物与设施，造成安全隐患，所以，我们不仅要研究煤炭开采对地表移动、变形的影响，还要定性、定量地分析和计算地表移动和变形的规律。目前，对开采沉降的分析研究方法，建立沉降预测方法的途径，总体概括开采沉陷理论研究和预测模型，可以从四个方面进行分类：一是根据实测资料通过经验研究的方法[1-3]；二是基于理论分析的研究方法[4-6]；第三，开采沉陷的模拟研究方法[7-10]；最后即其他的研究方法，主要包括灰色系统理论、3S在开采沉陷变形监测中的应用和沉陷预测的可视化技术、人工神经网络ANN(Artificial neuralnetwork)、模式模糊识别技术、时间序列预测、稳健回归以及特殊地质采矿条件下的沉陷预测方法[11-17]。笔者以鸡西某矿地质资料为背景，采用数值模拟的方法研究俯斜和仰斜开采对地表沉降的影响，以期为煤炭开采引起的地表沉降预测提供参考。

1 模型建立

为研究煤炭开采地表沉降规律，以鸡西某煤矿28#煤层倾斜长壁开采为研究对象。根据该矿地质勘探资料(如综合柱状图、剖面图等)及其他该区域内相关资料可知，该区域地质构造简单，无较大断层，呈单斜构造，区域内仅28#层某块段可采，可采块段煤层平均厚度为2 m，倾角为6°～10°，平均倾角为8°，可采块段煤层走向长为950 m、倾斜长为1 000 m。煤层底板为粉砂岩，厚40 m，煤层上覆岩层分别为厚46 m粉砂岩、厚232 m砂岩、厚180 m泥岩、厚度约为120 m表土层。采用CAD与ANSYS软件结合建立模型，CDEM模拟开采引起地表变形破坏的过程,获得地表变形值和影响范围。CDEM融合了离散元算法和有限元算法，以连续介质力学为理论根本，以有限元与离散元的优点为核心，所采用的离散单元法将离散模型中的参数(介质)用有限元的算法进行计算，在破坏面上产生的大变形应用离散元算法进行计算。

对该矿取得的煤、岩样进行物理力学实验，得到各岩层和煤层的力学参数和力学特性。为便于模拟分析开采对地表沉降和移动的影响，自下而上将各地层简化为底板(粉砂岩)、煤层、直接顶(粉砂岩)、基本顶(粉砂岩)、砂岩、泥岩和表土层七个部分。数值模拟力学参数见表1。

表1 数值模拟力学参数

根据地质资料采用CAD建立二维模型，从下往上依次为粉砂岩40 m、煤层2 m、粉砂岩46 m、砂岩232 m、泥岩180 m、表土层约120 m。最终得模型尺寸为650 m(高)×1 100 m(长)。利用ANSYS将模型划分为57个模块，并对各块体编号。二维模型如图1所示。根据模型尺寸，采用智能尺寸控制，按模块几何尺寸使用不同精度的网格划分，对直接顶和基本顶划分密集网格。

在CDEM软件中使用表1中的力学参数，对各个块体赋予相应的物理力学参数，并把模型设置成基于Mohr-Coulomb准则的遍布节理模型。即满足

fs=(σ1-σ3)-2ccosφ-(σ1+σ3)sinφ，

(1)

式中：σ1、σ3——最大、最小主应力；

c、φ——内聚力和内摩擦角。

当fs<0时，表示岩层将发生剪切破坏。

在模型地表位置从左往右，每间隔100 mm位置添加一个监测点。最后对该模型的边界施加约束条件：

(1)对块体位移边界施加位移约束，固定模型边界节点的横向移动，即模型仅有竖直方向的位移。

(2)对模型底面施加位移约束，即固定底面垂直、水平移动。

(3)模型顶面设置为自由边界，不施加约束，见图1b。

a 模型

b 网格划分和边界约束条件

2 结果分析

煤炭的开采使用空单元体进行模拟，沿倾斜方向开采推进，每次开采长度为20 m，开采50次，共1 000 m。模拟使用两种方式，一种是沿倾向自上而下俯斜开采，另一种是沿倾向自下而上仰斜开采。在模拟分析计算过程中，不考虑构造应力对原岩应力的影响，仅将自重应力场视为原岩体内部初始应力。2.1 俯斜开采

自重应力平衡计算后，根据开采计划，使用空单元模拟俯斜开采，图2为部分开采模拟过程。由图2b可知，采空区顶板下沉量较大，岩层从下往上变形逐渐减小，开采扰动面积大于采空区面积。由图2c可知，开采结束以后变形的区域面积大于采空区面积，形成一个中间低洼的盆地。

a 自重应力平衡计算

b 第十次俯斜开采

c 第五十次俯斜开采

Fig. 2 Simulation of displacement contour in inclined

mining

图3是俯斜开采地表下沉的动态过程曲线，由图3可知，开采打破原应力平衡状态，对周围岩层及地表有明显的扰动，地表变形下沉。地表下沉值随着开采工作面推进而增加，地表沉降速度均匀，地表最大下沉点随着工作面由模型边界向模型中间移动，当达到充分采动时，最大下沉值点停留在采空区中部地表，呈深部采空区地表略高于浅部采空区地表的凹陷盆地。地表最大沉降为0.75 m，最小沉降0.46 m，采区范围内平均沉降位移0.63 m。

图3 俯斜开采地表下沉的动态过程曲线

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

2.2 仰斜开采

自重应力平衡计算后，沿倾斜方向从下向上开采，得到图4部分仰斜开采位移云图。图4a与图2b对比，在开采面积一样，深度不同的条件下，深部开采对上覆岩层影响较大，变形扰动区域面积大于浅部开采。

图5是仰斜开采地表下沉的动态过程曲线，由图5可知，地表有如下移动特征：相较于浅部前期开采，深部开采时对地表扰动范围大且明显，但是地表下沉位移较小。仰斜开采地表最大沉降为0.69 m，最小沉降0.42 m，采区范围内平均沉降位移0.58 m。

a 第十次

b 第五十次

图5 仰斜开采地表下沉的动态过程曲线

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

3 结 论

(1)在煤层厚度不变的条件下，俯斜开采随着开采的进行工作面由浅到深，地表受开采影响的移动和变形幅度逐渐减小，开采影响的地表变形范围却增加，开采后模型达到稳定时所需要的时间较短。地表沉降最大的位置先是位于浅部采空区上方，随着开采的推进地表最大下沉点移动到采空区中部地表且不再移动。

(2)仰斜开采随着工作面的推进采深逐渐减小，每次开采对地表的移动和变形幅度影响增大，开采扰动的范围变小。

(3)俯斜开采地表最大沉降为0.75 m，最小沉降0.46 m，采区范围内平均沉降位移0.63 m。仰斜开采地表最大沉降为0.69 m，最小沉降0.42 m，采区范围内平均沉降位移0.58 m。

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(编辑 晁晓筠 校对 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

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12541690)

赵喜江(1968-)，男，黑龙江省海伦人，教授，研究方向：矿山测量，开采沉陷监测、预计及综合治理,E-mail：zxj680903@sina.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.05.001

TD325

2095-7262(2016)05-0471-04

A