構造應力和節理耦合對采煤沉陷的控制作用分析

孫衛立

(汾西礦業集團公司正城煤業有限責任公司，山西 孝義 032300)

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構造應力和節理耦合對采煤沉陷的控制作用分析

孫衛立

(汾西礦業集團公司正城煤業有限責任公司，山西 孝義 032300)

為了提高采煤沉陷計算的精確性，掌握構造應力和節理耦合對采煤沉陷的控制作用，實現對采煤沉陷預防提供技術支持，提出了一種新型的采煤沉陷模型，以適應不同構造應力環境、不同節理下對采煤沉陷的影響。

采煤沉陷；構造應力；節理耦合；控制作用

引 言

煤礦區通常處于2種基本的構造應力狀態，即，擠壓構造應力場與拉張構造應力場，而前者為主要的一種。地殼上部巖石中節理是發育最廣的一種斷裂構造，節理的存在極大地削弱了巖石的力學強度，并對巖石的再變形與再破壞造成影響。在煤礦開采前進行采煤沉陷計算，能夠盡量避免礦區地面的沉陷、斷裂和斷陷情況的發生，實現對生態環境與土地資源的保護，并同時取得較好的社會效益與經濟效益。目前，我國多數采煤沉陷計算仍采用“基于隨機介質理論的概率積分法”，但該方法并未對普遍存在的節理構造與應力環境進行考慮，從而使得采煤中巖層發生變形和破壞，造成采煤沉陷。因此，需要提高采煤沉陷計算的精確性，為預防采煤沉陷提供理論和技術支持。本研究提出了一種新型的采煤沉陷模型，適合不同構造應力環境、不同節理下對采煤沉陷的影響分析[1]。

1 數值試驗模型的建立

1.1 構造應力設計

通過大量的研究發現，構造應力與深度有著較大的關系[2]。構造應力隨著深度的增加而增加，并且這種變化梯度在工程范圍內比自重應力要大。這里，設水平應力與自重應力的比值為λ，擠壓應力與自重應力的比值為λ1。當深度≤100 m時，λ1按照1.5～5.0分布；當深度>100 m時，λ1按照0.5～2.5分布。由于巖石本身的力學性質使擠壓構造應力遠大于拉張構造應力，因此設拉張構造應力與自重應力比值為λ2，λ2通常<0.5。為了分析不同構造應力與節理傾角耦合作用對采煤沉陷的影響，將λ1分別設為0.1、0.5、1.0、1.5、2.0，將λ2分別設為0.005、0.010、0.050、0.100、0.500。

1.2 節理傾角設計

當巖層受到構造應力時，會發生位移或者產生極小的裂縫，這就是所說的節理。在巖層大的構造運動中將產生大量節理，這些節理的傾角、密度對采煤沉陷有著明顯的控制作用。為了研究在一定構造應力下節理傾角對采煤沉陷的影響，本模型設計了2組傾向相反、而密度與力學性質相同的節理，一組節理傾角不變，另一傾角分別設為0、30、60、90°。

1.3 構造應力與節理傾角耦合模型

將上述構造應力與節理傾角進行耦合，能夠派生多個不同模型。構造應力與節理傾角考察的時間間隔越短，精確度越高。但是，由于模型過多，所以時間耗費多[3]。因此，本設計采用FLAC顯示有限差分程序，以某礦的實際煤層賦存為試驗的原型，建立4類55個試驗模型，每個模型含1層煤層、1層底板和15層覆巖，模型的尺寸與力學參數參考夏玉成等人的模型。表1為節理幾何與力學參數。各個模型的尺寸為1 000 m3×20 m3×432 m3，開采的深度為400 m，厚度為2.0 m，共18 000個單元；采空區尺寸為320 m3×20 m3×2 m3，離邊界各340 m。

表1 節理幾何與力學參數

1.4 模型類別及約束條件

建立25個節理化擠壓應力模型，考察采煤沉陷特征，在考慮覆巖自重應力的基礎上向X、Y方向施加數值為λ1倍自重應力的擠壓應力，λ1分別輸入0.1、0.5、1.0、1.5、2.0，節理傾角輸入無節理和0、30、60、90°。建立25個節理化拉張應力模型，在考慮覆巖自重應力的基礎上，向X、Y方向施加數值為λ2倍自重應力的拉張應力，λ2分別輸入0.005、0.010、0.050、0.100、0.500，節理傾角輸入無節理和0、30、60、90°。建立4個無構造應力節理化模型，節理傾角分別為0、30、60、90°。建立1個既無構造應力也無節理構造模型。模型邊界約束條件包括左右邊界單邊約束u=0、v≠0、w≠0；前后邊界單邊約束u=0、v=0、w≠0；底邊界全約束u=0、v=0、w=0；上邊界為自由邊界。此外，為了使模型與實際情況相符，本設計根據幾何損傷理論的裂縫張量與摩爾庫倫模型，構建了初始損傷節理巖體彈塑性本構模型。

2 構造應力對節理地層下沉的影響分析

對采煤開挖影響進行模擬，在模型構建完成后研究沉降值，進而獲得構造應力與節理耦合狀態下的地面最大沉降值。沿著開采方向提取主斷面下沉值，并繪制下沉曲線。結果發現，當擠壓構造應力為自重應力的0.5倍，節理傾角在0、30、60、90°時，拉張構造應力為自重應力的0.5倍。無節理情況下采煤的沉陷最小，并且下沉值隨著傾角的增大而增加。當節理傾角為90°時，地表下沉達最大值；在無節理時，采煤沉陷范圍最大，并隨著傾角的增大范圍縮小，在傾角為90°時沉陷范圍最小。因此，在擠壓構造應力或者拉張構造應力環境下，只要存在節理，下沉值均增大，并與節理的傾角呈正相關關系，而沉陷范圍則與傾角呈負相關關系。

在相同量值的擠壓構造應力與拉張構造應力環境，同一節理傾角下，擠壓構造應力下的最大地表下沉值小于拉張構造應力下的最大地表下沉值，而下沉范圍增大。無構造應力的地標下沉值則處于兩者之間。這表明，拉張構造應力將增強采煤沉陷，而擠壓構造應力能夠減緩采煤沉陷。

在節理傾角一定時，擠壓構造應力越大，地表下沉值越小，下沉值與擠壓構造應力呈負相關關系；拉張構造應力越大，地表下沉值越大，下沉值與拉張構造應力呈正相關關系。

3 構造應力對節理巖層的影響分析

對同一傾角30°下，擠壓構造應力、拉張構造應力為自重應力0.5倍的不同構造應力下的主斷面最大主應力進行對比發現，在拉張構造應力下，拉張應力分布范圍較廣，并且呈連續分布；在擠壓構造應力下，拉張應力分布范圍小，并且不連續。這表示在擠壓構造應力與拉張構造應力條件下的采煤沉陷是不同的。因為巖層本身的抗壓強度遠遠超過抗拉強度，因此很小的拉張構造應力就會在節理面、節理交接處集中應力，對巖體造成破壞；而在擠壓構造應力下，巖層節理面與巖層空隙會被擠壓，增加節理面的接觸，增大摩擦力與摩擦系數，因此采煤沉陷不容易發生。只有當擠壓構造應力超過巖層抗壓強度后，巖體才會被破壞。節理屬于巖層的初始損傷，在采煤時對上層巖層造成擾動后，節理將被激活甚至擴大，進而導致采煤沉陷的發生。當節理傾角為0°，節理面與巖層層理方向、構造應力平行，受到構造應力時，巖層層理方向應力集中，從而造成巖體破壞。當地表位移增加、面積變形增加時，節理的傾角就會增大，并開始出現重力作用分量，而這種重力作用分量就會加劇采煤沉陷的發生。

4 結語

本文提出了一種采用FLAC顯示有限差分程序，以某礦的實際煤層賦存為試驗的原型，建立了4類55個采煤沉陷的模型。通過建模后構造應力對節理地層下沉的影響分析、構造應力對節理巖層的影響分析發現，采煤沉陷與構造應力、節理傾角有直接關系。同時也表明，采煤前進行采煤沉陷計算的重要性，只有提高采煤沉陷計算的精確性，才能有效預防控制采煤沉陷。

[1] 賈曉峰.構造應力與節理耦合對采煤沉陷的控制作用分析研究[J].山東煤炭科技,2014(10):153-154.

[2] 孫學陽，夏玉成.節理化覆巖在構造應力作用下對采煤沉陷的影響[J].礦業研究與開發,2014,34(3):51-53.

[3] 李曉軍.采煤沉陷控制中構造壓力與節理耦合的作用分析[J].科技風,2011(17):106.

Control function analysis of tectonic stress and joint coupling on mining subsidence

SUN Weili

(Fenxi Coal Mining Group Zhengcheng Coal Industry Co., Ltd., Xiaoyi Shanxi 032300, China)

In order to improve the precision of the mining subsidence calculation, and master the control function of tectonic stress and joint coupling on mining subsidence, and provide technical support for coal mining subsidence prevention, this paper puts forward a new kind of coal mining subsidence model to adapt to the different tectonic stress environment under the joint influence of mining subsidence.

coal mining subsidence; tectonic stress; joint coupling; control function

2016-08-22

孫衛立，男，1963年出生，2013年畢業于太原理工大學采礦工程專業，工程師，現從事采礦技術管理工作。

煤礦工程

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2016.05.28

TD35；P542

A

1004-7050(2016)05-0092-03