東溝蘭州灣煤礦地表沉陷預測數值分析

李永剛

摘要：為確定東溝蘭州灣煤礦開采后地表塌陷范圍及深度，采用數值實驗的方法，對4號煤層東西翼采區進行了大范圍的開采過程模擬，獲得了地表沉陷的三維變化趨勢，闡明了現有塌陷區的產生過程，同時與理論計算結果進行了對比，驗證了數值實驗的準確性，提高了預測工作的精準度，可為同類工作提供方法借鑒。

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.

關鍵詞：煤礦開采;地表塌陷;范圍預測;數值模擬

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

中圖分類號：TD327 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）17-0114-03

0 ?引言

地下煤層的開采勢必引起覆巖的運動，進而影響地表的變形[1]。我國是煤炭資源型國家，全國一次能源中煤炭占比達到60%左右，且在未來很長一段時間內這種能源結構占比不會有太大變化[2]，同時我國人口密集，地表土地資源緊缺，煤礦開采與地表土地塌陷形成了顯著的矛盾。為了解決這方面的矛盾我國從綠色發展方面制定了諸多法律法規，要求煤礦企業進行煤層開采地表塌陷的相關預測工作，為后期的土地復墾等環保工作奠定基礎[3]。然而這方面的工作在開展過程中大多評價機構都是采用傳統的巖層移動角及導水裂隙帶發育高度計算作為地表塌陷范圍的估計方法[4]，這種方法的缺點是只能在一個剖面線上進行平面范圍內的預測，對于多個剖面線間的地表塌陷只能是通過估算進行預測，這將對測量結果帶來一定的誤差。

為了提高煤礦開采地表塌陷的預測精度，本文擬采用數值計算結合理論計算的方法進行確定，為開采引起的地面塌陷預測工作提供新的技術借鑒。

1 ?計算方法及原理

數值分析已成為土木、水利、采礦等工程領域進行巖土工程問題分析的重要手段，能夠非常準確地模擬材料的塑性破壞和流動，對土質、巖石和其它材料的三維結構受力特性和塑性流動進行模擬具有更為準確和快速的特點。

本次模擬對象為沉積巖為主的煤礦開采過程，其中各巖層的抗拉、內聚力及摩擦角等力學參數是影響其破斷變形的重要影響因素，因此，采用M-C摩爾庫倫破壞準則更為適合，該準則認為巖石是均質無裂隙的，巖石內部在法向應力作用下產生的摩擦力和顆粒間的內聚力形成了抵抗破壞的力源，具體可表達為式（1）[5-6]。

（1）

式中：τ為拉力;C為內聚力;σn為法向應力;Θ為內摩擦角。

上式為MC準則的基本原理，為了利用有限元積分實現對整個模型的計算，需針對單個有限元單元體進行計算，此時單元體的摩爾庫倫準則可寫為：

（2）

式中：I1為應力張量的第一不變量;J2為應力偏量的第二不變量;θσ為應力羅德角。

2 ?實驗方案

本次數值分析是對東西翼采區4號煤層開采現狀的模擬，重點獲取該區域沉陷的過程特征，并與理論計算形成互補，對地表復墾修復提供區域時空變化信息奠定基礎，并結合理論計算進行對比分析，形成相互驗證，提高預測的精度。

3 ?數值模型的建立及參數選取

根據勘探剖面線及4號煤層底板等高線可知煤層賦存傾角平均為7-10°左右，呈現為南高北低的賦存特征，結合該礦區的水文地質綜合柱狀圖，以各巖層的平均厚度作為參考，并合理簡化了地層的空間分布特征，確定了4號煤層的上覆巖層的組成分布，具體見表1。從巖層控制理論來分析，覆巖中5號、7號、16號巖層分別為主關鍵層、亞關鍵層和基本頂，這些巖層強度大、厚度大，對其上覆巖層具有較強的承載作用，他們的破斷規律影響了覆巖整體的下沉情況。

本次模型為三維立體模型，根據表1可確定縱向巖層的空間分布特征，水平方向的模型范圍，可根據采掘工程平面圖東西翼13個已采工作面的分布情況進行選取，如圖1（a）所示，模型平面范圍為2200m*4000m，完全囊括了13個采區，滿足塌陷范圍的模擬分析需求。同時本次模擬還根據上述平面范圍進行了礦區地表的三維建模，進一步提高了數值模擬的可信度，構建了如圖1（b）所示的三維地表，并最終結合地層形成了如圖1（c）所示的三維計算模型，該模型長4000m，寬2200m，高度600m，煤層中根據13個采區的開采順序以及采區所處空間位置進行了合理的簡化，將圖1（a）中的1-2，3-4，5-6，7，8-9，10，11-13進行合并獲得了7個模擬開采區域。

4 ?地表沉陷現狀演變規律分析

模型采用三角網格進行剖分，共產生計算單元535060個，可較為精確的現實各個細節，底部邊界設為固定支撐、模型四周為輥支撐條件，頂面為自由面，更具模型總體高度設置了最大初始定地應力為16MPa，地應力側壓系數取0.5。

4.1 地表位移場演變過程

東西兩翼共分為7個模擬開采區域，開采順序根據采掘工程平面圖所示時間進行排序，具體如圖1（a）所示，通過模擬開采獲得了如圖2（a-g）的地表位移場的演變特征，首采區開采后地表開始發生沉陷，由于開采范圍及周邊圍巖尚未產生大范圍的破壞，因此對地表的影響范圍較小，第二模擬采區開采后地表影響范圍顯著擴大，隨著東翼各個采區的逐一開采，破壞范圍不斷擴大，沉陷深度也在不斷擴大，沉陷區域中心隨采區的移動而變化。西翼區域目前僅有兩個采區開采完畢，且兩個采區為跳采，相對各個采區覆巖較為完整，因此，地表的沉陷深度較小，影響范圍也較小，具體變化過程如圖2所示。

4.2 最終地表影響范圍

如圖3（a）所示，為本次數值模擬最終的地表沉陷影響范圍的分布特征，基本與圖3（b）所示的理論計算方式獲得形態和范圍相似，然而，數值實驗的準確度與地層空間組成特征及巖石力學參數密切相關，本次所采用的數據僅為現有資料所提供的合理推測和簡化后得到的結果，因此，可能存在一定的誤差。數值實驗快速準確，且能夠直觀查看到地表變化的總體過程，可為土地復墾、生態修復等工程提供基礎時空演變數據。

5 ?結論

本次數值分析針對大區域的塌陷現狀采用數值和理論進行計算分析，闡明了塌陷區域的變化規律得到以下結論：

①東翼采區地表沉陷范圍在第二模擬采區開采后開始快速擴大影響范圍，且沉陷中心位置始終處于當前采空區的中部，全部開采完畢后，東翼最大下沉量約為7m，西翼現狀為4m左右，與理論計算較為接近。

②塌陷現狀的平面分布狀態與模擬結果的范圍及形態相似，符合一般緩傾斜煤層開采地表沉陷變化規律。

參考文獻：

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[4]童大志，汪杰.基于數值模擬的紅嶺鉛鋅礦巖層移動帶圈定[J].有色金屬：礦山部分，2019（5）：10-13.

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