開采沉陷預計的數值模擬研究

中國礦業大學江蘇省資源環境信息工程重點實驗室 萬紅梅 許 晨 葉 霞 徐目圣

開采沉陷預計的數值模擬研究

中國礦業大學江蘇省資源環境信息工程重點實驗室 萬紅梅 許 晨 葉 霞 徐目圣

開采沉陷的研究對于國民經濟的發展和人民生活的提高具有重要的意義。為了進行現代化建設，需要開采大量的有用礦物，但是開采這些有用礦物產生的開采沉陷，又會反過來影響和破壞巖體和地面上的一些生產和生活設施，影響生產的發展和人民的生活。要想解決好這個矛盾，開展對開采沉陷的研究是十分必要的。本文，筆者嘗試將FLAC3D數值模擬技術應用于開采沉陷預計中，采用實際的煤巖物理力學參數作為計算依據，模擬地表下沉與開采煤厚之間的關系，為控制煤層開采后的地表沉陷提供理論依據。

一、數值計算模型

數值計算模型參照的是某礦的具體地質條件，采用FLAC3D建模，并運用軟件中的后處理功能分析模型在煤層開挖后預計地表下沉情況。建立的模型尺寸（長×寬×高）為1 080m×1 080m× 600m，其中，開挖煤層的截面尺寸（長×寬）為600m×600m。模型共4層巖層，各巖層的圍巖力學參數見表1。

表 1 圍巖力學參數

二、數值計算方案

1.數值模型主視表明。在表1所示的圍巖力學參數條件下，通過改變煤層厚度，模擬煤層厚度h=2，3，4，5，6，7m時，在采用緩慢垮落、一次采全高采煤方法條件下地表的下沉規律。

2.在這種情況下，改變煤層上賦巖層的體積模量、剪切模量和抗壓強度，使其分別取表1所示圍巖參數的70%，30%，模擬不同巖性覆巖結構（堅硬、中硬、軟弱）條件下的地表下沉規律。

三、模擬結果及分析

1.在煤層厚度h=2m情況下，取表1所示的圍巖力學參數，運用FLAC3D算得開挖平衡后，應用其強大的后處理功能，輸出開采后的模型各點位移數據，用SURFER8自動繪制煤層開挖后地表的下沉等值線，如圖1所示。由圖1可以看出，煤層的開采導致了地面的下沉，且最大下沉值為0.94m。

2.在表1所示的堅硬覆巖結構條件下，模擬出地表最大下沉值隨不同煤層厚度變化情況。利用回歸分析，得到不同煤厚值與地表最大下沉值之間的回歸曲線，如圖2所示。由圖2可以看出，地表最大下沉值隨著開采煤厚的增大而增加，且存在著線性關系。回歸分析得到的函數滿足理論公式：W0=mq cosα，說明數值模擬在一定程度上能夠反映地表的沉陷規律。

3.改變表1所示的圍巖力學參數，分別模擬出中硬和軟弱覆巖結構下，地表最大下沉值隨不同煤層厚度的變化情況。不同覆巖結構條件下的煤厚與地表最大下沉量之間的關系如圖3所示

由圖3可知，隨著覆巖力學性質的不斷減弱，其煤厚與地表最大下沉值的回歸曲線仍舊表現為線性關系，且直線的斜率隨著覆巖力學性質的減弱而增加，說明覆巖巖性越弱，在開采相同厚度煤層條件下，地表最大下沉值越大。

四、結論

1.數值結果表明，隨著開采煤厚的不斷增大，地表的下沉量也在不斷增加，且地表下沉量與開采煤厚之間存在線性關系。

2.不同的覆巖結構條件下，地表下沉量與開采煤厚之間存在的線性關系表明，在開采相同煤厚的條件下，覆巖結構力學性質越弱，地表的下沉量越大，直線的斜率越大。

3.以上結論對于煤層開采后，控制地表沉陷具有一定的理論指導意義。