多工作面開采巖層移動(dòng)及地表沉降規(guī)律研究

韓文斌，李文強(qiáng)，陳 宇

（1.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030032；2.中國地質(zhì)大學(xué)（北京） 工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

目前數(shù)值模擬方法在研究大規(guī)模巖土工程方面有著廣泛的應(yīng)用[1]。FLAC3D是一種基于拉格朗日算法的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析軟件，在面對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件時(shí)，該軟件可以很好地分析巖土體變形、破壞、失穩(wěn)的過程[2-4]。本文應(yīng)用FLAC3D模擬豐匯煤礦多個(gè)工作面的開采過程，分析多工作面不同期開采對(duì)巖層移動(dòng)規(guī)律與地表變形特征的影響，可以對(duì)多工作面開采提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 工程概況

豐匯煤礦主要含煤地層為石炭系太原組（C3t），可穩(wěn)定開采煤層為15號(hào)煤，開采平均厚度為5 m，煤層傾角5°～7°，屬緩傾斜煤層，煤層埋深范圍320～540 m。本文研究豐匯煤礦15號(hào)煤的15個(gè)工作面的開采過程，各工作面均采用自由垮落法管理頂板，一次性采全高。各個(gè)工作面的大小和停采時(shí)間見表1。

表1 開采工作面大小和停采時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

2 數(shù)值模型建立

基于地質(zhì)勘探資料，確定該次數(shù)值模擬計(jì)算的模型范圍，模型在東西方向上長(zhǎng)5 300 m，南北方向上長(zhǎng)3 600 m，見圖1。由于模型范圍較大，故選用以六面體單元為主的混合網(wǎng)格單元，最小單元尺寸為10 m。計(jì)算網(wǎng)格模型見圖2。

圖1 研究區(qū)地表等高線及模型范圍示意圖（單位：m）

圖2 三維地質(zhì)模型示意圖

本文利用FLAC3D模擬各工作面開采過程，本構(gòu)模型采用摩爾庫倫模型。根據(jù)工程地質(zhì)條件，確定巖層物理力學(xué)參數(shù)，計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 巖層計(jì)算參數(shù)取值表

3 多煤層巖層移動(dòng)及地表沉降規(guī)律研究

3.1 多煤層開采巖層移動(dòng)分析

按照表1開采順序?qū)Ω鱾€(gè)工作面依次進(jìn)行開采，多工作面開采覆巖豎向移動(dòng)結(jié)果如圖3所示。小尺寸工作面（工作面603見圖3a）開采完成后，工作面頂板形成“板狀結(jié)構(gòu)”，采空區(qū)在“板狀結(jié)構(gòu)”的支撐作用下，頂板沉降量較小，僅能產(chǎn)生0.5～0.65 m下沉量。隨著大尺寸工作面（工作面15101、15103、15105、15201、15109，見圖3b～圖3f）的開采，先前穩(wěn)定的覆巖結(jié)構(gòu)被不斷破壞，直至工作面開采結(jié)束，最終形成穩(wěn)定的覆巖結(jié)構(gòu)。相鄰工作面的開采會(huì)引起巖體的再次擾動(dòng)，覆巖結(jié)構(gòu)隨多次擾動(dòng)產(chǎn)生形變，并向上擴(kuò)散。

圖3 沿各工作面走向方向中央剖面Z向位移云圖

3.2 多煤層開采地表沉降分析

工作面尺寸對(duì)地表沉降影響較大，小尺寸工作面（工作面603見圖4a）對(duì)地表沉降影響較小，大尺寸工作面（工作面15101、15103、15105、15201、15109）的開采對(duì)地表沉降盆地形態(tài)影響顯著。15201工作面（見圖4e）開采結(jié)束后，沉降盆地進(jìn)一步擴(kuò)大，地表最大沉降值達(dá)4.06 m，同時(shí)盆地內(nèi)部發(fā)育了新的子沉降盆地。開采結(jié)束后，地表沉降盆地范圍達(dá)到最大，地表最大沉降量為4.5 m。

圖4 開采部分工作面誘發(fā)地表沉降等值線圖（單位：m）

由于各個(gè)工作面之間相隔較近，工作面開采后覆巖移動(dòng)會(huì)受到相互影響，主要表現(xiàn)為后續(xù)相鄰工作面的開采會(huì)造成已經(jīng)穩(wěn)定的覆巖結(jié)構(gòu)進(jìn)一步破壞，使得已沉陷地表進(jìn)一步下沉和地表沉陷盆地最大下沉點(diǎn)進(jìn)一步偏移。隨著開采推進(jìn)，地表沉降值不斷增加，總體上呈現(xiàn)出沉降盆地的特點(diǎn)。此時(shí)計(jì)算得到下沉系數(shù)為0.9，該數(shù)值與山西省境內(nèi)類似地質(zhì)條件礦區(qū)的地表實(shí)測(cè)值近似，陽泉礦區(qū)下沉系數(shù)為0.83[5]，平朔礦區(qū)9001工作面下沉系數(shù)為0.85[6]，表明數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可靠。

4 結(jié)語

本文以豐匯煤礦15號(hào)煤多工作面為研究對(duì)象，開展了多工作面開采重復(fù)擾動(dòng)下巖層移動(dòng)及地表變形研究，主要結(jié)論如下：

a）小尺寸工作面（工作面603）開挖后煤層頂板的下沉量較小，會(huì)形成四周固支的“板狀結(jié)構(gòu)”，而不發(fā)生斷裂。大尺寸工作面（工作面15101、15103、15105、15201、15109）開挖后，由于上覆巖層荷載的作用，直接頂垮落，在開切眼與停采線附近會(huì)形成“簡(jiǎn)支梁”結(jié)構(gòu)，殘留一定空洞區(qū)域。

b）相鄰工作面的開采會(huì)加劇影響，主要表現(xiàn)為后續(xù)相鄰工作面的開采導(dǎo)致先前已經(jīng)穩(wěn)定的覆巖結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生進(jìn)一步破壞，地表沉降盆地最大下沉點(diǎn)發(fā)生偏移。

c）受地形影響，地表沉降盆地中心會(huì)偏向地形較高的一側(cè)，在埋深不同的條件下，地表沉降盆地會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)子沉降盆地。