东沟兰州湾煤矿地表沉陷预测数值分析

李永刚

摘要：为确定东沟兰州湾煤矿开采后地表塌陷范围及深度，采用数值实验的方法，对4号煤层东西翼采区进行了大范围的开采过程模拟，获得了地表沉陷的三维变化趋势，阐明了现有塌陷区的产生过程，同时与理论计算结果进行了对比，验证了数值实验的准确性，提高了预测工作的精准度，可为同类工作提供方法借鉴。

Abstract： In order to determine the range and depth of surface subsidence after mining in Donggou Lanzhouwan Coal Mine， a large-scale mining process was simulated in the east-west mining area of No.4 coal seam by using numerical experiments， the three-dimensional change trend of surface subsidence was obtained， and the generation process of the existing subsidence area was clarified. At the same time， it was compared with the theoretical calculation results， which verified the accuracy of the numerical experiment and improved the accuracy of the prediction work， which can provide a method for similar work.

关键词：煤矿开采;地表塌陷;范围预测;数值模拟

Key words： coal mining;surface collapse;range prediction;numerical simulation

中图分类号：TD327                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）17-0114-03

0  引言

地下煤层的开采势必引起覆岩的运动，进而影响地表的变形[1]。我国是煤炭资源型国家，全国一次能源中煤炭占比达到60%左右，且在未来很长一段时间内这种能源结构占比不会有太大变化[2]，同时我国人口密集，地表土地资源紧缺，煤矿开采与地表土地塌陷形成了显著的矛盾。為了解决这方面的矛盾我国从绿色发展方面制定了诸多法律法规，要求煤矿企业进行煤层开采地表塌陷的相关预测工作，为后期的土地复垦等环保工作奠定基础[3]。然而这方面的工作在开展过程中大多评价机构都是采用传统的岩层移动角及导水裂隙带发育高度计算作为地表塌陷范围的估计方法[4]，这种方法的缺点是只能在一个剖面线上进行平面范围内的预测，对于多个剖面线间的地表塌陷只能是通过估算进行预测，这将对测量结果带来一定的误差。

为了提高煤矿开采地表塌陷的预测精度，本文拟采用数值计算结合理论计算的方法进行确定，为开采引起的地面塌陷预测工作提供新的技术借鉴。

1  计算方法及原理

数值分析已成为土木、水利、采矿等工程领域进行岩土工程问题分析的重要手段，能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动，对土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性和塑性流动进行模拟具有更为准确和快速的特点。

本次模拟对象为沉积岩为主的煤矿开采过程，其中各岩层的抗拉、内聚力及摩擦角等力学参数是影响其破断变形的重要影响因素，因此，采用M-C摩尔库伦破坏准则更为适合，该准则认为岩石是均质无裂隙的，岩石内部在法向应力作用下产生的摩擦力和颗粒间的内聚力形成了抵抗破坏的力源，具体可表达为式（1）[5-6]。

（1）

式中：τ为拉力;C为内聚力;σn为法向应力;Θ为内摩擦角。

上式为MC准则的基本原理，为了利用有限元积分实现对整个模型的计算，需针对单个有限元单元体进行计算，此时单元体的摩尔库伦准则可写为：

（2）

式中：I1为应力张量的第一不变量;J2为应力偏量的第二不变量;θσ为应力罗德角。

2  实验方案

本次数值分析是对东西翼采区4号煤层开采现状的模拟，重点获取该区域沉陷的过程特征，并与理论计算形成互补，对地表复垦修复提供区域时空变化信息奠定基础，并结合理论计算进行对比分析，形成相互验证，提高预测的精度。

3  数值模型的建立及参数选取

根据勘探剖面线及4号煤层底板等高线可知煤层赋存倾角平均为7-10°左右，呈现为南高北低的赋存特征，结合该矿区的水文地质综合柱状图，以各岩层的平均厚度作为参考，并合理简化了地层的空间分布特征，确定了4号煤层的上覆岩层的组成分布，具体见表1。从岩层控制理论来分析，覆岩中5号、7号、16号岩层分别为主关键层、亚关键层和基本顶，这些岩层强度大、厚度大，对其上覆岩层具有较强的承载作用，他们的破断规律影响了覆岩整体的下沉情况。

本次模型为三维立体模型，根据表1可确定纵向岩层的空间分布特征，水平方向的模型范围，可根据采掘工程平面图东西翼13个已采工作面的分布情况进行选取，如图1（a）所示，模型平面范围为2200m*4000m，完全囊括了13个采区，满足塌陷范围的模拟分析需求。同时本次模拟还根据上述平面范围进行了矿区地表的三维建模，进一步提高了数值模拟的可信度，构建了如图1（b）所示的三维地表，并最终结合地层形成了如图1（c）所示的三维计算模型，该模型长4000m，宽2200m，高度600m，煤层中根据13个采区的开采顺序以及采区所处空间位置进行了合理的简化，将图1（a）中的1-2，3-4，5-6，7，8-9，10，11-13进行合并获得了7个模拟开采区域。

4  地表沉陷现状演变规律分析

模型采用三角网格进行剖分，共产生计算单元535060个，可较为精确的现实各个细节，底部边界设为固定支撑、模型四周为辊支撑条件，顶面为自由面，更具模型总体高度设置了最大初始定地应力为16MPa，地应力侧压系数取0.5。

4.1 地表位移场演变过程

东西两翼共分为7个模拟开采区域，开采顺序根据采掘工程平面图所示时间进行排序，具体如图1（a）所示，通过模拟开采获得了如图2（a-g）的地表位移场的演变特征，首采区开采后地表开始发生沉陷，由于开采范围及周边围岩尚未产生大范围的破坏，因此对地表的影响范围较小，第二模拟采区开采后地表影响范围显著扩大，随着东翼各个采区的逐一开采，破坏范围不断扩大，沉陷深度也在不断扩大，沉陷区域中心随采区的移动而变化。西翼区域目前仅有两个采区开采完毕，且两个采区为跳采，相对各个采区覆岩较为完整，因此，地表的沉陷深度较小，影响范围也较小，具体变化过程如图2所示。

4.2 最终地表影响范围

如图3（a）所示，为本次数值模拟最终的地表沉陷影响范围的分布特征，基本与图3（b）所示的理论计算方式获得形态和范围相似，然而，数值实验的准确度与地层空间组成特征及岩石力学参数密切相关，本次所采用的数据仅为现有资料所提供的合理推测和简化后得到的结果，因此，可能存在一定的误差。数值实验快速准确，且能够直观查看到地表變化的总体过程，可为土地复垦、生态修复等工程提供基础时空演变数据。

5  结论

本次数值分析针对大区域的塌陷现状采用数值和理论进行计算分析，阐明了塌陷区域的变化规律得到以下结论：

①东翼采区地表沉陷范围在第二模拟采区开采后开始快速扩大影响范围，且沉陷中心位置始终处于当前采空区的中部，全部开采完毕后，东翼最大下沉量约为7m，西翼现状为4m左右，与理论计算较为接近。

②塌陷现状的平面分布状态与模拟结果的范围及形态相似，符合一般缓倾斜煤层开采地表沉陷变化规律。

参考文献：

[1]张向阳，刘结高，涂敏.弱黏结顶板厚煤层综放开采覆岩移动及矿压控制研究[J].采矿与安全工程学报，2019（5）：873-878.

[2]谢和平，吴立新，郑德志.2025年中国能源消费及煤炭需求预测[J].煤炭学报，2019，44（07）：1949-1960.

[3]栗欣.绿色矿山文化建设模式的分析[J].中国矿业，2019（7）.

[4]童大志，汪杰.基于数值模拟的红岭铅锌矿岩层移动带圈定[J].有色金属：矿山部分，2019（5）：10-13.

[5]柏东良.基于摩尔库伦准则的球壳自重应力弹塑性分析[J].价值工程，2014（32）：326-328.

[6]吴晓辉.含软弱夹层砂岩隧道开挖二维数值模拟分析[J].价值工程，2019，38（06）：144-146.