南沱河堤下采煤地表沉陷預(yù)測(cè)的數(shù)值模擬研究

李　敏　胡　奎　陳卓求　楊　銳

（1. 安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南232001；2. 皖北煤電集團(tuán)公司，安徽 宿州234000；3. 安徽省淮南市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，安徽淮南232001）

摘要： 運(yùn)用FLAC3D軟件，對(duì)百善煤礦6123首采工作面開(kāi)采所引起的南沱河河堤的移動(dòng)與變 形（以南堤為例）進(jìn)行了模擬，與實(shí)測(cè)對(duì)比分析，得出了地表移動(dòng)的基本規(guī)律和特征。模擬 結(jié)果對(duì)堤下采煤具有一定的指導(dǎo)意義，為開(kāi)采沉陷的堤壩治理提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：FLAC；沉陷；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TD32文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A[WT]文章編號(hào)：16721098(2008)02000605

Numerical Simulation Prediction Study of Surface Subsidence Caused by Coal Min ing Under the Bank of Nantuo River

LI Min HU Kui CHEN Zhuo瞦iu YANG Rui

(1. School of Earth and Environmental Science, Anhui University of Science and T echnology, Huainan Anhui 232001, China; 2. Wanbei Coal and Electricity Group Com pany, Suzhou Anhui 234000, China; 3. Anhui Institute of Layout in Huainan, Huain an Anhui 232001, China) Abstract: Movement and deformation of Nantuo River bank (taking the south bank a s example) caused by the first mining longwall 6123 in Baishan Mine was simulate d by FLAC3D. Comparing the simulation results with in瞫itu survey, the b asic cha racteristics and behavior of the earths surface movement were educed. The resu lts have some guidance in mining under the river bank and provide scientific bas is for the river bank subsidence treatment.

Key words:FLAC；subsidence；numerical simulation

地下煤層被開(kāi)采出來(lái)以后，開(kāi)采區(qū)域周圍巖體的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，應(yīng)力重新分布 ，達(dá)到新的平衡。在此過(guò)程中，開(kāi)采煤層的上覆巖層將產(chǎn)生移動(dòng)、變形與破壞，當(dāng)開(kāi)采面積 達(dá)到一定范圍后，移動(dòng)與變形將波及到地表，使地表產(chǎn)生沉陷［1］，隨之，沉陷區(qū) 范圍內(nèi)的堤壩遭到破壞。因此，預(yù)測(cè)堤壩受開(kāi)采的影響程度，并及時(shí)對(duì)受開(kāi)采影響的堤壩進(jìn) 行治理，是確保河堤兩岸人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要保證。

1百善煤礦6123工作面概況

皖北煤電集團(tuán)百善煤礦6123工作面走向長(zhǎng)約為1 000 m，傾向長(zhǎng)約為100 m，面積約11.0萬(wàn) m 平均采厚3 m，平均采深157.4 m，平均傾角10°。南沱河橫穿該工作面上方，由西向東穿越， 越境長(zhǎng)度為790 m， 兩岸河堤之間平均距離為204 m， 南堤距離開(kāi)切眼400 m（見(jiàn)圖1）。

2數(shù)值模型的建立

2.1FLAC3D簡(jiǎn)介

FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是由美國(guó)Itasca公司開(kāi)發(fā)的顯式有 限差分程序，能較好地模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限或屈服極限時(shí)發(fā)生的破壞或塑性流動(dòng)的 力學(xué)行為，分析漸進(jìn)破壞和失穩(wěn)，特別適用于模擬大變形［2］。ネ1采區(qū)平面示意圖2.2幾何模型的建立

據(jù)南沱河堤下開(kāi)采工作面巷道布置特點(diǎn)及地面鉆孔探測(cè)結(jié)果，建立河堤下采煤的三維模型（ 見(jiàn)圖2）。 本次模擬受開(kāi)采影響的南堤， 以工作面傾向?yàn)楂X方向，長(zhǎng)度為500m， 以走向?yàn)楂Y方向,長(zhǎng)度為1 000 m，以豎直方向?yàn)楂Z方向 ，高度為 216.61 m。取河堤高度4 m，頂寬10 m，坡度1∶3。模 型尺寸為500 m×1 000 m×216.61 m，共有71 300個(gè) 單元。

圖2三維有限差分網(wǎng)格模型 為了研究和了解隨工作面的推進(jìn)南堤的變化, 在開(kāi)采過(guò)程中, 工作面每推進(jìn)一定距離進(jìn)行一 次運(yùn)算, 總計(jì)工作面推進(jìn)分解成六個(gè)開(kāi)采階段,分別為工作面推進(jìn)位置1、2、3、4、5、6六 個(gè)階段進(jìn)行模擬(見(jiàn)圖1),并在沿南堤縱向方向每隔20 m布置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)號(hào) 分別為0，1，2……，24，25，共計(jì)26個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)以監(jiān)測(cè)南堤及地表移動(dòng)的演化過(guò)程。

2.3Mohr睠oulomb準(zhǔn)則及巖性參數(shù)的選取

本研究確立煤系巖體的本構(gòu)關(guān)系為：在工作面開(kāi)采前，煤系巖體處于原巖應(yīng)力狀態(tài) ；采用近似理想的彈塑性模型, 破壞準(zhǔn)則選用Mohr睠oulomb準(zhǔn)則［3］，原理描述見(jiàn) 圖3。用Mohr睠oulomb破壞準(zhǔn)則描繪從點(diǎn)A到點(diǎn)B破壞包絡(luò)線f﹕=0即：f

圖3Mohr睠oulomb準(zhǔn)則圖

數(shù)值模擬實(shí)踐表明，在計(jì)算所需的巖體物理力學(xué)參數(shù)中，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響最大的是巖體的彈 性模量獷，簡(jiǎn)稱為彈模。通常情況下,巖體的彈模為巖塊彈模的1/7～1/20。本次模擬結(jié) 合鄰近礦井及本礦鄰近采區(qū)的巖層物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行類比, 獲得巖體的物理力學(xué)參數(shù)，巖體 彈模取巖塊彈模的1/10倍，模擬的具體參數(shù)見(jiàn)表1［4］。表1采區(qū)上覆巖層巖性參

由于采區(qū)上覆巖層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得其內(nèi)部構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜，參照蘇聯(lián)學(xué)者尼克修改了海姆的靜 水壓力假設(shè)［5］，認(rèn)為地層內(nèi)各點(diǎn)的垂直應(yīng)力等于上覆巖層的重量，而側(cè)向應(yīng)力是 泊松效應(yīng)的結(jié)果，即

σ璿=γH,σ環(huán)=[SX(]v[]1-v[SX)]γH

式中：玽為上覆巖層的泊松比；γ為上覆巖石的重力密度,kg/m；獺為單元立 方體所在的深度，m。

模型的邊界條件如下：

模擬結(jié)果如圖4～圖5所示。圖4地表下沉盆地圖

圖5 地表下沉等值線圖(m)

由圖4和圖5可知，當(dāng)?shù)叵旅簩颖徊沙龊?，采空區(qū)直接頂板巖層在自重力作用及其上覆巖層的 作用下，產(chǎn)生向下的移動(dòng)和彎曲。隨著工作面不斷向前推進(jìn)，下沉不斷增加，最終在地表產(chǎn) 生一個(gè)比開(kāi)采范圍大得多的下沉盆地，模擬的結(jié)果符合開(kāi)采沉陷的一般規(guī)律。

3.2地表移動(dòng)變形規(guī)律

南堤動(dòng)態(tài)移動(dòng)與變形曲線如圖6～圖10所示。

1.推進(jìn)位置1；2.推進(jìn)位置2；3.推進(jìn)位置3；

4.推進(jìn)位置4；5.推進(jìn)位置5；6.推進(jìn)位置6

圖6南堤下沉曲線圖1.推進(jìn)位置1；2.推進(jìn)位置2；3.推進(jìn)位置3；

4.推進(jìn)位置4；5.推進(jìn)位置5；6.推進(jìn)位置6

圖7南堤縱向傾斜變形曲線圖1.推進(jìn)位置1；2.推進(jìn)位置2；3.推進(jìn)位置3；

4.推進(jìn)位置4；5.推進(jìn)位置5；6.推進(jìn)位置6

圖8南堤縱向曲率變形曲線圖1.推進(jìn)位置1；2.推進(jìn)位置2；3.推進(jìn)位置3；

4.推進(jìn)位置4；5.推進(jìn)位置5；6.推進(jìn)位置6

圖9南堤縱向水平移動(dòng)曲線圖1.推進(jìn)位置1；2.推進(jìn)位置2；3.推進(jìn)位置3；

4.推進(jìn)位置4；5.推進(jìn)位置5；6.推進(jìn)位置6

圖10南堤縱向水平變形曲線圖從圖6～圖10中可以看出：南堤最大下沉點(diǎn)在13～14之間，最大下沉值為2.998 m，影響范圍 的點(diǎn)號(hào)為4～24。

(1) 當(dāng)工作面推進(jìn)到位置1、2(距離堤壩350 m和200 m)，下沉量和 水平方向移動(dòng)變形量都較小，可以認(rèn)為堤壩基本不受煤層開(kāi)采的影響；

(2) 當(dāng)工作面推進(jìn)到位置3(南堤北側(cè)100 m)，堤壩產(chǎn)生了移動(dòng)變形，下沉量和 水平移動(dòng)量逐漸增大。在2～8和17～23點(diǎn)之間出現(xiàn)水平拉伸變形，最大值為3.1 mm/m，此時(shí)壩的兩端有細(xì)小裂縫出現(xiàn)；

(3) 當(dāng)工作面推進(jìn)到位置4、5，此時(shí)下沉量急劇增加，特別是水平變形值增加最快。水平拉 伸變形出現(xiàn)在2～8和17～23點(diǎn)之間，最大水平拉伸變形值為11.8 mm/m，此時(shí)壩 的兩端裂縫寬度增加最快，壩的中間部位無(wú)裂縫；

(4) 當(dāng)工作面從河堤下穿過(guò)后推進(jìn)到位置6，堤壩位于下沉盆地的中心區(qū)域，移動(dòng)與 變形量趨于穩(wěn)定。

由此可見(jiàn)，隨著工作面的不斷推進(jìn)，堤壩受采動(dòng)影響是一個(gè)初始影響—影響劇烈—影響穩(wěn)定 的發(fā)展變化過(guò)程。

4與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

南沱河南堤實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大下沉點(diǎn)為14號(hào)點(diǎn)，最大下沉值為3.203 m。數(shù)值模擬 結(jié)果與其相比，下沉值最大差為205 mm，為下沉值的6.4%。兩者之間產(chǎn)生差異 的主要原因是：

(1) 模型建立的準(zhǔn)確度由于上履巖層比較復(fù)雜，鉆探剖面線不可能完整準(zhǔn)確的顯示該礦 區(qū)的巖層構(gòu)造，其它地質(zhì)條件如節(jié)理、裂隙以及斷層，對(duì)模型建立都有很大的影響；

(2) 巖性參數(shù)的選取數(shù)值模擬最主要的就是巖性參數(shù)，室內(nèi)試驗(yàn)巖性參數(shù)與實(shí)際有變化所 致，其符合度決定模擬的準(zhǔn)確度；

數(shù)值模擬結(jié)果與南堤實(shí)測(cè)下沉基本相似，見(jiàn)圖11。

圖11南堤下沉實(shí)測(cè)圖5結(jié)論

(1) 用FLAC數(shù)值模擬方法進(jìn)行沉陷預(yù)計(jì)，克服了概率積分法注重表相的弱點(diǎn)。FLAC數(shù)值模擬 參數(shù)越準(zhǔn)確越能反應(yīng)原型的客觀條件，就越能準(zhǔn)確地預(yù)計(jì)開(kāi)采引起的地表變形，所以對(duì)原型 的考察、研究和合理的簡(jiǎn)化是十分重要和必要的。

(2) 工作面的推進(jìn)對(duì)南堤的影響是一個(gè)發(fā)展變化的過(guò)程，呈現(xiàn)出較為明顯的階段性。開(kāi)采初 期，由于非充分采動(dòng)和不均勻下沉的影響，工作面前后煤體及采空區(qū)上方地表都將間斷發(fā)育 有微小裂縫，特別是當(dāng)工作面接近堤壩及穿越堤壩時(shí)，堤壩的微小裂縫發(fā)育會(huì)達(dá)到最高峰； 當(dāng)工作面推過(guò)堤壩后，采空區(qū)上方地表水平變形逐漸趨于穩(wěn)定。

(3) FLAC數(shù)值模擬基本體現(xiàn)了南堤地表動(dòng)態(tài)的演化過(guò)程，能反映出地表的移動(dòng)與變形的規(guī)律 。與實(shí)測(cè)值相比，還有一定的差距，原因除了模型建立的準(zhǔn)確度和巖性參數(shù)外，孔隙水滲透 也有很大影響。

參考文獻(xiàn)：

［1］何國(guó)清.礦山開(kāi)采沉陷學(xué)［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1991：5760.

［2］尹尚先，汪益敏.采礦工作面推進(jìn)的FLAC數(shù)值模擬［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版)，2003，31(1)：124126.

［3］劉波.FLAC原理、事例與應(yīng)用指南［M］.北京：人民交通出版社，2005：19 20.

［4］高明中,余忠林.煤礦開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)的數(shù)值模擬［J］.安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2 003，(23)：1117.

［5］蔡美峰.巖石力學(xué)與工程［M］.北京：科學(xué)出版社，2002：129132.

(責(zé)任編輯：宋曉梅)