条带开采采空区覆岩移动规律数值模拟分析

杨 逾，于洁瑜，王 宇

(辽宁工程技术大学土木与交通学院，辽宁 阜新 123000)

条带开采采空区覆岩移动规律数值模拟分析

杨 逾，于洁瑜，王 宇

(辽宁工程技术大学土木与交通学院，辽宁 阜新 123000)

为了准确而有效的掌握条带开采上覆岩层移动机理，采用FLAC3D数值模拟软件，对辽宁省灯塔市西马煤矿北二采区西上岗子村下压12煤采空区上覆岩层变形传播机理进行研究。模拟研究表明，采用FLAC3D软件可以较好地模拟条带开采上覆岩层长期变形特征。通过对各采空区和煤柱顶板及对应地表布设位移测点，得到顶板和地表不同时间段的竖向位移变化曲线。研究结果经分析得到，煤层开采后采空区顶板在自重和上覆岩层作用下，短时间内变形状态仍有较大变化；开采后21个月，各采空区顶板沉降变形开始趋于稳定；24个月后各煤柱顶板沉降变形开始趋于稳定；27个月后地表沉降变形开始趋于稳定；最终，采空区上覆岩层应力分布重新达到平衡。

覆岩移动；数值模拟；变形特征；位移测点；应力平衡

0 引言

地下煤层开采以后，原岩应力平衡遭到破坏并重新分布，引起采空区顶板弯曲、断裂甚至塌陷。随着时间的推移，矿区老化，煤柱失稳破坏，会引发采空区顶板大面积冒落，如果处理不当，会使上覆岩层产生岩移、错动，最终导致地表大面积下沉，造成建筑物变形破坏，给矿山的安全生产带来了严重影响[1-6]。

为了使矿山持续、稳定而安全地回收矿产资源，如何快速准确地在采空区破坏之前，掌握采空区上覆岩层变形传播机理显得尤为关键。对大规模错综复杂的采空区稳定性进行评价是一个极为复杂的过程，然而采用数值模拟能较好的显现出采空区上覆岩层应力分布规律及变形趋势。本文采用了FLAC3D软件对西马煤矿北二采区村庄下12煤采空区覆岩移动规律进行数值模拟研究[7]，并布设了各个采空区顶板和煤柱顶板中间位置及对应地表布设位移测点，共26个[8-10]。通过采集位移测点数据，得到各采空区、煤柱顶板及对应地表竖向位移随时间变化曲线，进而对采空区长期稳定性进行分析和评价。所得相应的研究成果将能够给矿区安全生产带来重要的科学指导意义。

1 工程概况

辽宁省灯塔市西马煤矿北二采区村庄下压煤区域位于井田西北部，煤层露头被侏罗系地层及第四系地层覆盖，采区范围整体形状为梯形，长1 400 m，宽800～1 000 m，面积约1.26 km2。12煤伪顶和直接顶均为厚层状海相泥岩，沉积稳定，老顶多为厚层状粉砂岩，直接底板为粘土质粉砂岩。在数值计算剖面上，按照岩类不同的力学性质对煤层顶、底板划分为7种岩性(表1)。

表1 煤岩土层岩性及力学参数

2 模型建立与结果分析

2.1 数值模型建立

以西马煤矿北二采区12煤层条带煤柱及上覆岩层为研究对象，数值计算剖面垂直采区走向，各煤岩土层之间为整合接触，岩层内部为连续介质。模型几何尺寸沿采区走向800 m，倾向100 m，垂直方向420 m。模拟煤层埋深为400 m，厚度2.5 m，模型顶部为自由边界，四周水平位移约束，对模型底部边界进行全约束。模型初始平衡采用摩尔-库仑模型进行计算，开挖围岩蠕变计算则利用经典粘弹性模型进行分析。

2.2 模型测点布置

在采区7个条带采空区顶板中间位置及对应地表布设位移测点，共计14个；同理，在采区6个条带煤柱中间位置及对应地表布设位移测点，共计12个，分别记录煤层开采以后上覆岩层和地表长期移动变形特征。地质剖面示意图，并标注监测点位置(图1)。

图1 地质剖面示意图Fig.1 Schematic geological section

2.3 模拟结果分析

2.3.1 开采覆岩移动规律

采空区采后初始上覆岩层移动变形采用摩尔-库仑模型计算移动变形分析计算。

通过模拟计算得到采后初始覆岩移动模拟结果见表2。

根据模型计算结果，得到采动覆岩垂直方向和水平方向位移分布情况见图2、图3。

由图2分析可得，整个采区中部条带工作面3～6顶板沉降变形较为明显，两边的采空区1、2和7(右侧为1采空区)顶板沉降变形相对较小，并且每个条带工作面顶板下沉区域主要集中在顶板的中间位置。由图3分析可得，采区7个条带工作面围岩水平位移变化规律基本相同，各条带工作面两端围岩及煤柱均向工作面空间产生水平位移，与采区覆岩竖向位移对比，

表2 采后初始覆岩移动模拟结果

图2 采动覆岩竖向应变模拟图Fig.2 Vertical strain simulation diagram of the overlying strata

图3 采动覆岩水平应变模拟图Fig.3 Horizontal strain simulation diagram of the overlying strata

水平移动受条带开采影响范围相对小一些。因开采初期工作面顶板变形较大，为防止意外，应先经过试采并建立观测站定期观测，然后根据地表移动情况决定下一步的开采计划。

2.3.2 采空区覆岩蠕变变形特征

采空区覆岩蠕变模型采用的是Burgers蠕变模型，该模型适用于初始蠕变阶段和稳定蠕变阶段。本文采用该模型计算覆岩蠕变最终的移动变形。模型在自重应力作用下的蠕变公式为：

式中：η1，η2——黏滞性系数/(GPa/d)；E1，E2——弹性模量/GPa。

依据Burgers蠕变公式，利用Origin软件基于最小二乘法对蠕变参数进行反演求解，得到各煤岩层的弹性模量和黏滞性系数见表3。

表3 煤岩层蠕变模拟参数

根据蠕变模型计算结果，得到采空区上覆岩层沉降变形稳定后，覆岩竖直方向和水平方向变形分布情况见图4、图5。

图4 沉降稳定后覆岩竖向变形模拟图Fig.4 Vertical deformation simulation diagram of overlying strata after settlement stability

图5 沉降稳定后覆岩水平变形模拟图Fig.5 Horizontal deformation simulation diagram of overlying strata after settlement stability

由图4分析可得，采区各条带工作面围岩蠕变区域与采动覆岩移动范围大体相同。采区中部条带工作面2～6顶板沉降变形较为明显，两边采空区1和7顶板变形相对较小，并且每个条带工作面顶板变形区域主要集中在顶板的中间位置；同时，采区地表产生不同程度变形。由图5分析得到，采区各条带工作面围岩蠕变区域与采动覆岩移动范围大体相同，各条带工作面两端围岩及煤柱均向工作面空间产生较大变形，而地表水平方向变形较小。

记录采后最终覆岩移动模拟结果见表4。

表4 采后最终覆岩移动模拟结果

2.3.3 采空区覆岩蠕变应力分布特征

根据蠕变模型计算结果，采空区条带煤柱及上覆岩层沉降变形稳定后，覆岩在水平及垂直方向应力分布情况见图6、图7。

图6 水平应力模拟图Fig.6 Horizontal stress simulation cloud chart

图7 竖向应力模拟图Fig.7 Vertical stress simulation cloud chart

由图6、图7分析可得，采区各条带煤柱及覆岩移动变形稳定后，采空区顶底板应力呈拱形分布(压力拱)，上覆岩层的负载只有很少一部分作用在采空区直接顶板上，大部分应力均向采空区两侧煤柱及围岩转移，在煤柱和围岩上形成应力集中区，并向直接顶底板发散，这种现象在采区中部煤柱和覆岩层上更为显著。因此，在条带开采中应严格控制开采宽度，不得随意缩小保留煤柱尺寸，一避免减少煤柱的有效支撑面积。使得煤柱安全性降低，地表下沉系数增大。

2.3.4 覆岩层长期稳定性分析

煤层开采以后，结合各采空区和煤柱顶板及对应地表位移布设测点所记录下岩移数据，得到各工作面采空区和煤柱顶板及对应地表的竖向位移随时间变化曲线(图8～图11)。

图8 各采空区顶板竖向位移随时间变化曲线Fig.8 The curve of vertical displacement over time of each goaf roof

图9 各煤柱顶板竖向位移随时间变化曲线Fig.9 The curve of vertical displacement over time of each coal pillar roof

图10 各采空区顶板对应地表竖向位移随时间变化曲线Fig.10 The curve of the vertical displacement over time of each goaf roof corresponding to the surface

图11 各煤柱顶板对应地表竖向位移随时间变化曲线Fig.11 The curve of the vertical displacement over time of each coal pillar corresponding to the surface

由图8分析可得，煤层开采以后，采空区顶板在自重和上覆岩层作用下，短时间内应变状态变化很大，其中，采区中部2～6工作面采空区顶板变形量较为明显。随着时间的推移，沉降变形曲线逐渐平缓，直至开采后21个月沉降变形开始趋于稳定。从图9分析得到，由于覆岩及煤柱的约束，煤柱顶板沉降变形量较小，沉降速度较为缓慢。曲线在沉降阶段大体呈线性变化，其斜率变化区间为-3.9～-4.7 mm/月，至开采后24个月沉降变形开始趋于稳定，采空区上覆岩层应力分布重新达到平衡。

由图10、图11分析可得，各采空区及煤柱顶板对应的地表竖向位移随时间变化曲线主要分为三个阶段：第一阶段在开采后0～7个月，该阶段地表沉降变形较为缓慢，因为采空区覆岩移动需要通过上覆岩层形成“三带”，缓慢地传递到地表，引起地表发生沉降变形；第二阶段在开采后7～17个月，由于地下煤层连续开采，覆岩移动不断的传至地表，因此加快了地表沉降变形速度；第三阶段在开采后17～27个月，由于覆岩移动变形较为缓慢，煤层开采结束后，地表沉降变形量仍在增加，随着时间的推移，约27个月后地表沉降开始趋于稳定，整个采区上覆岩层应力分布重新达到平衡状态。

3 结论

本文通过使用FLAC3D软件对条带开采各采空区覆岩稳定性进行数值模拟研究以及蠕变模型计算，研究结果如下：

(1)煤层开采以后，采区中部条带工作面2～6顶板沉降变形较为明显，两边的采空区1和7的顶板变形相对较小，各条带工作面顶板变形区域主要集中在顶板中间位置；各条带工作面两端围岩及煤柱均向工作面空间产生较大变形，与覆岩垂向位移对比，水平变形范围相对小一些。

(2)各采空区覆岩及煤柱蠕变变形稳定后，采空区顶板应力呈拱形分布，上覆岩层负载只有很少一部分作用在直接顶板上，大部分应力均向采空区两侧煤柱和围岩转移，在煤柱和围岩上形成应力集中区，并向直接顶底板发散，这种现象在采区中部2～5煤柱条带上更为明显。

(3)在各采空区顶板和煤柱顶板中间位置及对应地表布设位移测点，通过对布设位移测点数据的采集，绘制各采空区和煤柱顶板及对应地表沉降位移随时间变化曲线，可以得到自煤层开采后，采空区顶板在自重和上覆岩层作用下，短时间内沉降变形幅度较大；开采约21个月后各采空区顶板沉降变形开始趋于稳定；24个月后各煤柱顶板沉降变形开始趋于稳定；27个月后地表沉降变形开始趋于稳定。最终，采空区上覆岩层应力分布重新达到平衡状态。

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Numerical simulation study on movement law of overlying strata of goaf in strip mining

YANG Yu，YU Jieyu，WANG Yu

(SchoolofCivilandTransportion,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin，Liaoning123000,China)

In order to accurately and effectively control mechanism of overlying strata movement with strip mining. Using the FLAC3D to simulate the mechanism of goaf overburden deformation propagation of NO.12 seam, which is located in NO.2 mining area of the North of Xima Coal under the Xi Shanggangzi in Dengta, Liaoning. Simulation studies show that long-term characteristics of overburden deformation with strip mining can be simulated well by FLAC3D.By layouting displacement measuring points in the roofs of goafs and in the roofs of coal pillars as well as their own points on the surface, the vertical displacement curves of roofs and surface with different time can be obtained. The results of the research analysis is found that the deformation state changes seriously within a short time with the effect of their own gravity and overlying strata after mining. After mining, there are 21 months for the settlement deformation of goaf roofs beginning to tend stable, and 24 months for the settlement deformation of coal pillar’s roofs beginning to tend stable. After 27 months, surface subsidence begins to tend stable；finally，stress distribution of goaf overburden reaches a new equilibrium. So it regains a steady state from the mining area to the surface.

overburden movement; numerical simulation; deformation behaviour; displacement measuring point; stress balance

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.01.15

2016-03-16;

2016-06-16

国家自然科学基金(51274111)；辽宁省博士后集聚工程项目(2011921029)

杨 逾(1973-)，男，甘肃张掖人，博士，教授，主要从事采矿损害与控制工程。E-mail：yangyu9300@163.com

TD823

A

1003-8035(2017)01-0096-06