煤礦水平開采地表變形仿真分析

賈明坤

（大同煤礦集團有限公司煤峪口礦地測科，山西 大同037041）

我國是煤炭存儲使用大國，在相當一段時間內，煤炭資源仍是我國的主體能源。在煤炭的開采過程中，由于煤層的開采造成底層的應力破壞，會引發采空區上方的巖層移動，當開采范圍增加時，引起地表的變化，容易造成地表的變形沉陷。我國煤炭的儲量大，開采范圍較大，在開采過程中，形成地表沉陷變形會對所在區域的經濟生活造成一定的影響，特別是分布于黃土區域的煤礦，由于黃土的結構特性，這種作用會更加明顯[1]。針對同煤某煤礦所在的地質條件，對黃土層煤礦采用數值仿真分析的方式對地表的移動變形進行分析，研究地表移動變形的規律，可以為具有相似地質條件的礦井開采提供參考，從而避免出現地表沉陷的情況，為采空區的地表保護及災害的預防等起到指導作用[2]。

1 工作面地表模型的建立

對工作面的地表變形進行分析，首先采用UDEC軟件建立相應的地表覆巖模型，UDEC是進行離散單元計算分析的軟件，適用于覆巖及地表等非連續體的仿真分析，可以較為準確的反應變形的情況。UDEC包含不同的結構模型，依據所進行分析的煤礦地質條件，選取塑性模型進行數值分析[3]。依據煤礦的地質條件及工作面情況，建立分析模型如圖1所示，在長度上模型為500 m長，煤層的平均深度為146 m，分布在126~167 m上，煤層的厚度為6 m。

對于所進行分析的模型的邊界條件進行設定，兩側約束為單約束，底部為全約束，上方為地表的自由表面，對模型進行開采的長度為300 m，沿長度方向設置不同的監測點一次進行地表變形的仿真分析[4]。

2 開采地表變形仿真分析

依據UDEC建立的模型，對地表變形進行分析，由于在地表變形中，地質因素和采礦因素均是引起變形的原因，而在這之中，地表因素起主要的控制作用，因此在分析中，針對地質因素下主要的黃土層厚度進行分析[5]。

圖1 地表分析模型及監測點

針對所建立的模型，采用UDEC軟件設置相應的煤巖的力學參數，巖層的組合依據實際的礦井條件進行確定，保證開采條件不變的情況下，設置不同的黃土層厚度為0~120 m，對不同厚度下的底邊變形量進行分析。

通過UDEC模擬計算，得到不同黃土層厚度下的變形結果，將相應的數據進行整理，得到如下頁圖2、圖3所示的地表的垂直變形及水平變形的位移曲線。從圖2中可以看出，地表的垂直位移量隨黃土層厚度的變化呈現相同的變化趨勢，在黃土層厚度較小時，隨著厚度的增加地表的垂直位移逐漸增加，而黃土層達到一定厚度之后，其地表的垂直位移量呈現減小的趨勢；在圖3中，地表的水平位移量隨黃土層厚度的變化同樣呈現相同的變化趨勢，地表的水平位移量在黃土層厚度較小時，隨著土層厚度的增加，水平位移量增加，而在土層厚度達到一定值后，地表的水平位移呈現減小的趨勢。

通過上述的分析可知，在進行黃土層覆蓋的煤層開采時，地表的變形與黃土層的厚度具有一定的關系，當黃土層厚度較小時，厚度越大，則變形量越大，這時，黃土層對變形施加載荷，當黃土層厚度增加到一定值后，對于地表的垂直位移起到緩沖的作用，此時增加的黃土層減小了變形的載荷；同樣對于水平方向的變形量，在厚度較小時，增加了變形作用，黃土層拉伸作用增加了變形量。隨著黃土層厚度的變化，地表的沉陷量并不是呈現線性的增加，這是由于黃土層的結構及易于移動造成的[6]。

圖2 地表垂直變形位移變化曲線

圖3 地表水平變形位移變化曲線

在開采過程中，由于采動作用的存在，黃土層在一定厚度時，破壞作用由工作面逐漸向黃土層傳遞，由于黃土層比較松軟，會造成黃土層向下的移動，黃土層不斷進行壓縮，使得地表的沉陷逐漸增加；而在黃土層增加到一定厚度之后，黃土層自身對于采用作用進行消散，其向上繼續傳遞的載荷減小，使得覆巖的破壞作用無法傳遞到地表層，從而降低了地表的沉陷值。針對黃土層厚度及開采的下沉量進行擬合，得到如圖4、圖5所示的黃土層地表變形曲線。

從圖4、圖5中可以看出，黃土層對于地表的垂直位移下沉量與水平位移作用是一致的，均呈現出先增加后減小的趨勢，由此即可得到地表垂直位移及水平位移的函數方程，分別為：

地表的垂直位移變形量：

式中：f為地表的垂直位移下沉量；x為黃土層的厚度。

地表的水平位移變形量：

式中：f（x）為地表的水平位移變形量；x為黃土層的厚度。

圖4 黃土層厚度對地表下沉量影響曲線

圖5 黃土層厚度對地表水平變形量影響曲線

3 結論

我國具有分布廣泛的煤炭資源，對煤炭進行開采的過程中，由于采空區的存在，會引起相應的地表變形，嚴重會引發地質的塌陷，造成經濟的損失。黃土層由于結構較為松軟，對于地表的變形更加敏感，針對黃土層的地表變形采用UDEC仿真軟件進行分析。針對黃土層的不同厚度影響，得到地表的垂直下沉量及水平位移變形與黃土層的厚度呈現非線性的關系，黃土層厚度較小時，厚度越大，則變形量越大，而隨著厚度的增加，變形量逐漸減小，這與黃土層的結構特性相關，較小厚度的黃土層在采動作用下會產生壓縮，增加了地表的變形，而厚度較大的黃土層，則抵消了采動作用的影響，減小地表的變形。依據地表變形的數據，得到地表的變形曲線，由此，可以對同等條件下的地表變形進行預測，從而更加科學的指導煤礦的開采，提高煤礦開采的經濟效益。