煤矿水平开采地表变形仿真分析

贾明坤

（大同煤矿集团有限公司煤峪口矿地测科，山西 大同037041）

我国是煤炭存储使用大国，在相当一段时间内，煤炭资源仍是我国的主体能源。在煤炭的开采过程中，由于煤层的开采造成底层的应力破坏，会引发采空区上方的岩层移动，当开采范围增加时，引起地表的变化，容易造成地表的变形沉陷。我国煤炭的储量大，开采范围较大，在开采过程中，形成地表沉陷变形会对所在区域的经济生活造成一定的影响，特别是分布于黄土区域的煤矿，由于黄土的结构特性，这种作用会更加明显[1]。针对同煤某煤矿所在的地质条件，对黄土层煤矿采用数值仿真分析的方式对地表的移动变形进行分析，研究地表移动变形的规律，可以为具有相似地质条件的矿井开采提供参考，从而避免出现地表沉陷的情况，为采空区的地表保护及灾害的预防等起到指导作用[2]。

1 工作面地表模型的建立

对工作面的地表变形进行分析，首先采用UDEC软件建立相应的地表覆岩模型，UDEC是进行离散单元计算分析的软件，适用于覆岩及地表等非连续体的仿真分析，可以较为准确的反应变形的情况。UDEC包含不同的结构模型，依据所进行分析的煤矿地质条件，选取塑性模型进行数值分析[3]。依据煤矿的地质条件及工作面情况，建立分析模型如图1所示，在长度上模型为500 m长，煤层的平均深度为146 m，分布在126~167 m上，煤层的厚度为6 m。

对于所进行分析的模型的边界条件进行设定，两侧约束为单约束，底部为全约束，上方为地表的自由表面，对模型进行开采的长度为300 m，沿长度方向设置不同的监测点一次进行地表变形的仿真分析[4]。

2 开采地表变形仿真分析

依据UDEC建立的模型，对地表变形进行分析，由于在地表变形中，地质因素和采矿因素均是引起变形的原因，而在这之中，地表因素起主要的控制作用，因此在分析中，针对地质因素下主要的黄土层厚度进行分析[5]。

图1 地表分析模型及监测点

针对所建立的模型，采用UDEC软件设置相应的煤岩的力学参数，岩层的组合依据实际的矿井条件进行确定，保证开采条件不变的情况下，设置不同的黄土层厚度为0~120 m，对不同厚度下的底边变形量进行分析。

通过UDEC模拟计算，得到不同黄土层厚度下的变形结果，将相应的数据进行整理，得到如下页图2、图3所示的地表的垂直变形及水平变形的位移曲线。从图2中可以看出，地表的垂直位移量随黄土层厚度的变化呈现相同的变化趋势，在黄土层厚度较小时，随着厚度的增加地表的垂直位移逐渐增加，而黄土层达到一定厚度之后，其地表的垂直位移量呈现减小的趋势；在图3中，地表的水平位移量随黄土层厚度的变化同样呈现相同的变化趋势，地表的水平位移量在黄土层厚度较小时，随着土层厚度的增加，水平位移量增加，而在土层厚度达到一定值后，地表的水平位移呈现减小的趋势。

通过上述的分析可知，在进行黄土层覆盖的煤层开采时，地表的变形与黄土层的厚度具有一定的关系，当黄土层厚度较小时，厚度越大，则变形量越大，这时，黄土层对变形施加载荷，当黄土层厚度增加到一定值后，对于地表的垂直位移起到缓冲的作用，此时增加的黄土层减小了变形的载荷；同样对于水平方向的变形量，在厚度较小时，增加了变形作用，黄土层拉伸作用增加了变形量。随着黄土层厚度的变化，地表的沉陷量并不是呈现线性的增加，这是由于黄土层的结构及易于移动造成的[6]。

图2 地表垂直变形位移变化曲线

图3 地表水平变形位移变化曲线

在开采过程中，由于采动作用的存在，黄土层在一定厚度时，破坏作用由工作面逐渐向黄土层传递，由于黄土层比较松软，会造成黄土层向下的移动，黄土层不断进行压缩，使得地表的沉陷逐渐增加；而在黄土层增加到一定厚度之后，黄土层自身对于采用作用进行消散，其向上继续传递的载荷减小，使得覆岩的破坏作用无法传递到地表层，从而降低了地表的沉陷值。针对黄土层厚度及开采的下沉量进行拟合，得到如图4、图5所示的黄土层地表变形曲线。

从图4、图5中可以看出，黄土层对于地表的垂直位移下沉量与水平位移作用是一致的，均呈现出先增加后减小的趋势，由此即可得到地表垂直位移及水平位移的函数方程，分别为：

地表的垂直位移变形量：

式中：f为地表的垂直位移下沉量；x为黄土层的厚度。

地表的水平位移变形量：

式中：f（x）为地表的水平位移变形量；x为黄土层的厚度。

图4 黄土层厚度对地表下沉量影响曲线

图5 黄土层厚度对地表水平变形量影响曲线

3 结论

我国具有分布广泛的煤炭资源，对煤炭进行开采的过程中，由于采空区的存在，会引起相应的地表变形，严重会引发地质的塌陷，造成经济的损失。黄土层由于结构较为松软，对于地表的变形更加敏感，针对黄土层的地表变形采用UDEC仿真软件进行分析。针对黄土层的不同厚度影响，得到地表的垂直下沉量及水平位移变形与黄土层的厚度呈现非线性的关系，黄土层厚度较小时，厚度越大，则变形量越大，而随着厚度的增加，变形量逐渐减小，这与黄土层的结构特性相关，较小厚度的黄土层在采动作用下会产生压缩，增加了地表的变形，而厚度较大的黄土层，则抵消了采动作用的影响，减小地表的变形。依据地表变形的数据，得到地表的变形曲线，由此，可以对同等条件下的地表变形进行预测，从而更加科学的指导煤矿的开采，提高煤矿开采的经济效益。