覆巖巖土比對開采沉陷的影響分析與數值模擬?

宋世杰趙曉光王雙明,2張 勇,3

(1.西安科技大學地質與環境學院,陜西省西安市,710054; 2.陜西省地質調查院,陜西省西安市,710065; 3.陜西省水利廳,陜西省西安市,710004)

覆巖巖土比對開采沉陷的影響分析與數值模擬?

宋世杰1趙曉光1王雙明1,2張 勇1,3

(1.西安科技大學地質與環境學院,陜西省西安市,710054; 2.陜西省地質調查院,陜西省西安市,710065; 3.陜西省水利廳,陜西省西安市,710004)

以榆神礦區小保當井田2－2煤層覆巖為地質原型,基于區域地質條件和3個代表性鉆孔構建了30個不同巖土比類型的數值模型,運用數值模擬試驗的方法研究在地質條件和開采工藝相同的情況下,覆巖巖土比對開采沉陷的影響規律。研究結果表明:在250 m和300 m埋深水平下,下沉系數都會隨著巖土比的增大而減小;在350 m埋深水平下,下沉系數整體上呈現隨巖土比增大而變小的趨勢(巖土比為2∶1的點除外)。針對3種不同埋深水平建立了巖土比與下沉系數的量化關系;在不同的埋深水平下,巖土比對下沉系數的影響程度不同,隨著埋深的增加,下沉系數的減小幅度基本表現為先變大后變小。

煤炭開采 開采沉陷 覆巖巖土比 數值模擬 榆神礦區

地質因素是影響與控制開采沉陷發生發展的主要因素,這一基本認識已經得到國內外學者公認。目前,關于地質因素對開采沉陷影響作用的研究主要集中于褶皺、斷層、節理、構造應力、埋深、覆巖綜合硬度等方面。煤炭作為典型的沉積礦產,其覆巖的層狀結構是煤炭賦存的顯著地質特點,而在開采沉陷研究領域卻一直沒有受到足夠的關注。關于煤系覆巖層狀結構及其特征影響開采沉陷的研究進展和成果在國內外也是鮮有報道。

巖土比(基巖總厚度與土層總厚度的比值)作為煤系覆巖層狀結構最為宏觀的特征,對開采沉陷的發展過程和最終損害程度都會產生重要影響。而涉及巖土比的現有研究主要是通過多樣本的巖土比和下沉系數的統計分析,最終給出統計意義上變化關系,其研究成果雖然具有一定科學價值,但由于所選樣本在地質條件(如埋深、基巖結構等)和開采工藝(如開采方法、采厚等)都存在差異,因此在科學性上還存在一定問題。

鑒于此,本文以陜北榆神礦區小保當井田2－2煤層覆巖為地質原型,以多個代表性鉆孔數據資料為依據,在不同埋深水平上構建多個數值模型,運用數值模擬試驗的方法研究在地質條件和開采工藝相同的情況下,覆巖巖土比對開采沉陷的影響規律,以期進一步深化地質因素在影響與控制開采沉陷方面的研究。

1 榆神礦區2－2煤層地質賦存條件

2－2煤層作為榆神礦區內主采煤層,位于含煤巖系頂部,厚度0.26～12.16 m,平均6.5 m,傾角不足1°。該煤層埋藏深度總體特征為東淺西深,最淺小于40 m,最深大于580 m,埋深大于200 m的范圍約占60%。

2－2煤層上覆地層自下而上依次是侏羅系中統直羅組(J2Z)、安定組(J2a)、白堊系下統洛河組(K11)、第三系上新統三趾馬組(N2)、第四系中更新統離石組(Q2L)、第四系上更新統薩拉烏素組(Q3S)、第四系上全新統(Q4)。地表被較厚松散層覆蓋,其以現代風積沙為主,厚度為0～175 m,平均為30 m,松散層下賦存土層厚度0～30 m,平均厚度為20 m。

2 小保當井田鉆孔特征

通過對小保當井田7條勘探線、共12個地質鉆孔數據資料的編錄與分析,小保當井田2－2煤層厚度3.47～9.26 m,平均厚度5.84 m;埋藏深度240～400 m,地表松散層厚度一般5～10 m,最大厚度31 m,松散層下賦土層厚度3.81～102.64 m,平均40 m,覆巖巖土比最大為8∶1,最小為2∶1。

按照250 m、300 m、350 m不同埋深水平,依次選取了XB13鉆孔、52－2鉆孔、XE7鉆孔中的2－2煤層覆巖作為地質原型,其主要特征見表1。

表1 代表性鉆孔中2－2煤層覆巖主要特征表

3 不同巖土比對開采沉陷影響的數值模擬試驗

3.1 不同埋深水平的數值模型構建

以小保當井田2－2煤層賦存條件為地質背景,以鉆孔XB13、52－2、XE7依次作為250 m、300 m、350 m 3個不同埋深水平的地質原型,按照各鉆孔中2－2煤層覆巖實際地層層序和巖性進行建模。

需要說明的是由于各鉆孔中2－2煤層實際埋深與對應的埋深水平還存在一定的差異,不利于后續建模和分析,因此需先將各鉆孔實際埋深轉化為對應的埋深水平。基本做法是各鉆孔中2－2煤層覆巖實際的地層層序保持不變,各巖(土)層厚度按照式(1)進行轉化。

式中:hsi——既定埋深水平下,第i層巖(土)層的厚度,m;

hi——第i層巖(土)層實際厚度,m;

H——實際埋深,m;

Hs——埋深水平,m。

目前,榆神礦區以長壁綜采為主要采煤方法,開采強度很高。大部分礦井的工作面長超過200 m,開采高度一般為4～5 m,連續推進長度5000～6000 m。因此,在構建數值模型中,2－2煤層厚度統一取5 m,一次采全高,工作面長250 m。

以鉆孔XB13為例,按照上述方法,構建了250 m埋深水平的2－2煤層覆巖三維數值模型,見圖1。

圖1 250 m埋深水平的三維數值模型

3.2 不同巖土比的數值模型構建

基于小保當井田2－2煤層覆巖巖土比實際勘測的變化范圍,并根據井田基巖與土層厚度變化的情況做適當的延伸,得到10組不同巖土比,即2∶1、 3∶1、4∶1、5∶1、6∶1、7∶1、8∶1、1 0∶1、15∶1、20∶1。結合3個不同的埋深水平,最終形成30個不同類型的數值模型,見表2。

表2 不同巖土比數值模型類型

需要說明的是在不同埋深水平數值模型的基礎上,根據既定的巖土比對模型中各巖(土)層的厚度進行調整,見式(2)和式(3),并最終形成用于后續數值模擬試驗的模型。

式中:hkri——既定巖土比條件下,第i層巖層的厚度,m;

k——巖土比。

3.3 基于FLAC3D的數值模擬試驗

以FLAC3D數值模擬軟件為試驗平臺,對不同埋深水平和不同巖土比條件下的2－2煤層開采過程進行數值模擬。模型左右邊界定為單約束邊界(取u＝0,v≠0,w≠0,u為X方向位移,v為Y方向位移,w為Z方向位移);模型前后邊界定為單約束邊界(取u≠0,v＝0,w≠0);模型底邊界定為全約束邊界(u＝0,v＝0,w＝0);模型上邊界定為自由邊界,不予約束。

表3 M1系列數值模型中巖土層物理力學參數

根據FLAC3D數值模擬軟件中摩爾－庫倫本構模型對材料參數的要求,選取了飽和單軸抗壓強度等7個參數,并以3個代表性鉆孔中的巖(土)層實際的物理力學指標對模型中各巖土層的物理力學參數進行賦值。以M1系列數值模型為例,其數值見表3。

3.4 試驗過程

模擬開采過程中,工作面沿走向方向自右向左(見圖1)逐步推進(在模型右側保留100 m煤柱)。隨著采空區的增大,地表開始發生下沉運動直至達到充分采動。運用基于FISH語言數據提取程序對30個模型的逐步開挖過程中每一步開挖產生的地表下沉量進行數據提取,以備后續分析使用。

4 試驗結果與分析

通過對30個不同類型的模型進行數值模擬試驗,得到在不同埋深水平下不同巖土比與下沉系數之間的對應關系,見表4和圖2。

表4 不同埋深水平下,巖土比與下沉系數的對應關系

圖2 不同埋深水平下,巖土比與下沉系數的對應關系

由表4和圖2可知:

(1)在250 m和300 m埋深水平下,下沉系數都會隨著巖土比的增大而減小;在350 m埋深水平下,下沉系數整體上呈現隨巖土比增大而變小的趨勢(巖土比為2∶1的點除外)。這一結果與前人從統計學角度得到的研究成果相一致。針對圖2中3種不同埋深水平下巖土比與下沉系數的關系曲線,進行非線性擬合,得到如下公式:

埋深水平為250 m:

埋深水平為300 m:

埋深水平為350 m:

式中:q——下沉系數;

k——巖土比。

(2)埋深水平不同,下沉系數隨巖土比增大而產生的減小幅度不同。埋深水平為250 m時,下沉系數從0.920(巖土比為2∶1)下降至0.834(巖土比為20∶1),下降了9.34%;埋深水平為300 m時,下沉系數從0.763(巖土比為2∶1)下降至0.625(巖土比為20∶1),下降了18.08%;埋深水平為350 m時,下沉系數從0.552(巖土比為3∶1)下降至0.514(巖土比為20∶1),下降了6.88%。可見,在不同的埋深水平下,巖土比對下沉系數的影響程度也不相同,隨著埋深的增加,下沉系數的減小幅度基本表現為先變大后變小。

(3)埋深水平不同,下沉系數隨巖土比增大而呈現的變化過程不同。埋深水平為250 m時,下沉系數隨巖土比增大而呈現出先慢后快的減小過程,且巖土比6∶1是臨界點,下沉系數在巖土比6∶1～20∶1區段的平均減小率是其在巖土比2∶1～6∶1區段平均減小率的4倍;埋深水平為300 m時,下沉系數隨巖土比增大而呈現出先快后慢的減小過程,且巖土比10∶1是臨界點,下沉系數在巖土比2∶1～10∶1區段的平均減小率是其在巖土比10∶1～20∶1區段平均減小率的1.57倍;埋深水平為350 m時,下沉系數隨巖土比增大而呈現出先慢后快的減小過程,且巖土比10∶1是臨界點,下沉系數在巖土比10∶1～20∶1區段的平均減小率是其在巖土比2∶1～10∶1區段平均減小率的6.7倍。

(4)試驗結果顯示超過100 m的巨厚土層具有降低下沉系數的效應。當埋深水平為350 m,巖土比為2∶1時對應的下沉系數僅為0.527,小于巖土比為3∶1、4∶1、5∶1、6∶1、7∶1、8∶1、10∶1時對應的下沉系數,相較于其他兩個埋深水平的情形存在明顯差異。對比3種埋深水平在巖土比為2∶1時上覆土層的厚度,發現只有埋深水平為350 m時上覆土層厚度超過100 m,為117 m(由埋深350 m且巖土比2∶1計算得到),同理,埋深水平為250 m和300 m時上覆土層厚度分別為83 m和100 m。根據夏玉成教授在陜西銅川礦區的沉陷實測數據和錢鳴高院士關于表土層影響關鍵層的研究成果推斷,這種特殊的現象很可能是厚度超過100 m的巨厚土層所致。

5 結論

以陜北榆神礦區小保當井田2－2煤層覆巖為地質原型,基于區域地質條件和3個代表性鉆孔數據資料構建了30個不同巖土比類型的數值模型,運用數值模擬試驗的方法研究在地質條件和開采工藝相同的情況下,覆巖巖土比對開采沉陷的影響規律,結論如下:

(1)在250 m和300 m埋深水平下,下沉系數都會隨著巖土比的增大而減小;在350 m埋深水平下,下沉系數整體上呈現隨巖土比增大而變小的趨勢(巖土比為2∶1的點除外)。針對3種不同埋深水平建立了巖土比與下沉系數的量化關系。

(2)在不同的埋深水平下,巖土比對下沉系數的影響程度不同,表現為下沉系數變化速度隨埋深增加先大后小的變化趨勢。埋深水平不同,下沉系數隨巖土比增大而呈現的變化過程也不盡相同。

(3)基于數值模擬試驗結果,超過100 m的巨厚土層具有降低下沉系數的效應。

[1] 管俊才,鞠金峰.元堡煤礦淺埋特厚煤層開采地表沉陷規律研究[J].中國煤炭,2013(5)

[2] 宋世杰,趙曉光,管園園.榆神府礦區開采沉陷損害影響因素的灰色關聯分析[J].工業安全與環保, 2010(3)

[3] Donnelly,L.J.,Delacruz,H.,Asmar,I.O.et.al. The monitoring and prediction of mining subsidence in the Amagam,Angelopolis,Venecia and Bolombolo Regions,Antioquia,Colombia[J].Engineering Geology, 2001(1)

[4] 許家林,錢鳴高,朱衛兵.覆巖主關鍵層對地表下沉動態的影響研究[J].巖石力學與工程學報,2005(5)

[5] 趙啟峰,孟祥瑞,趙光明等.厚松散層下開采沉陷預測模型的研究及應用[J].中國煤炭,2008(5)

[6] 夏玉成.構造環境對煤礦區采動損害的控制機理研究[D].西安:西安科技大學,2003

[7] 趙海軍,馬鳳山,李國慶等.斷層上下盤開挖引起巖移的斷層效應[J].巖土工程學報,2008(9)

[8] 夏玉成,杜榮軍.節理傾角對采煤沉陷影響的數值實驗研究[J].礦業安全與環保,2008(6)

[9] 夏玉成,雷通文.構造應力與采動損害關系的數值試驗研究[J].遼寧工程技術大學學報,2006(4)

[10] 劉瑾,孫占法,張永波.采深和松散層厚度對開采沉陷地表移動變形影響的數值模擬研究[J].水文地質,2007(4)

[11] 宋世杰,趙曉光,劉源等.榆神府礦區開采沉陷的灰色關聯分析及其回歸預計[J].煤礦安全,2010(8)

[12] 趙曉光,宋世杰,管園園.基于灰色關聯度的煤礦區開采沉陷關鍵影響因子分析[J].中國煤炭, 2010(9)

[13] 胡海峰.不同巖土比復合介質地表沉陷規律及預測研究[D].太原理工大學,2012

[14] Shijie Song,Xiaoguang Zhao,Yu Li.Analysis of the key geological-mining factors impacting mining subsidence in coal mining area:a case study in YuShenFu mining area[J].Advance materials research,2014(868)

[15] 王雙明,黃慶享,范立民等.生態脆弱區煤炭開采與生態水位保護[M].北京:科學出版社,2010

Analysis and numerical simulation on the influence of the overlying strata＇s rock-soil ratio on the mining subsidence

Song Shijie1,Zhao Xiaoguang1,Wang Shuangming1,2,Zhang Yong1,3
(1.College of Geology and Environment,Xi＇an University of Science and Technology, Xi＇an,Shaanxi 710054,China; 2.Shaanxi Geological Survey,Xi＇an,Shaanxi 710065,China; 3.Shaanxi Provincial Department of Water Resources,Xi＇an,Shaanxi 710004,China)

Taking the overlying strata of 2－2coal seam in Xiaobaodang mine field in Yushen mining area as geological model,30 numerical models with different rock-soil ratio were structured on the basis of regional geological conditions and 3 typical drillings.With the method of numerical simulation,the effect law of the rock-soil ratio on the mining subsidence was researched under the same geological condition and mining technology.The results showed that the subsidence coefficient would decrease with the increase of the rock-soil ratio at the buried depth of 250 m and 300 m;at the buried depth of 350 m,the subsidence coefficient decreased with the increase of rock-soil ratio as a whole except that the rock-soil ratio was 2∶1.The quantitative relation between the subsidence coefficient and the rock-soil ratio was built under three different depth levels.Under the different depth levels,the degree of the effect of the rock-soil ratio on the subsidence coefficient was different,and with the increase of buried depth,the decrease extent of the subsidence coefficient got bigger before it got smaller.

coal mining,mining subsidence,overlying strata＇s rock-soil ratio,numerical simulation,Yushen mining area

TD822

A

宋世杰(1983－),男,山東省濟南人,講師,地質工程專業工學博士。主要從事礦山地質災害防治與環境保護方面的教學與科研工作。

(責任編輯 張毅玲)

國家自然科學基金項目(41402308),陜西省軟科學基金項目(2011KRM09),陜西省教育廳科研計劃項目(14JK1466),西安科技大學博士啟動金項目(2014QDJ006),西安科技大學培育基金項目(201308)資助