構(gòu)造應(yīng)力和節(jié)理耦合對采煤沉陷的控制作用分析

孫衛(wèi)立

(汾西礦業(yè)集團(tuán)公司正城煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 孝義 032300)

?

構(gòu)造應(yīng)力和節(jié)理耦合對采煤沉陷的控制作用分析

孫衛(wèi)立

(汾西礦業(yè)集團(tuán)公司正城煤業(yè)有限責(zé)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(gòu)造應(yīng)力和節(jié)理耦合對采煤沉陷的控制作用，實現(xiàn)對采煤沉陷預(yù)防提供技術(shù)支持，提出了一種新型的采煤沉陷模型，以適應(yīng)不同構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境、不同節(jié)理下對采煤沉陷的影響。

采煤沉陷；構(gòu)造應(yīng)力；節(jié)理耦合；控制作用

引 言

煤礦區(qū)通常處于2種基本的構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)，即，擠壓構(gòu)造應(yīng)力場與拉張構(gòu)造應(yīng)力場，而前者為主要的一種。地殼上部巖石中節(jié)理是發(fā)育最廣的一種斷裂構(gòu)造，節(jié)理的存在極大地削弱了巖石的力學(xué)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(jìn)行采煤沉陷計算，能夠盡量避免礦區(qū)地面的沉陷、斷裂和斷陷情況的發(fā)生，實現(xiàn)對生態(tài)環(huán)境與土地資源的保護(hù)，并同時取得較好的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益。目前，我國多數(shù)采煤沉陷計算仍采用“基于隨機介質(zhì)理論的概率積分法”，但該方法并未對普遍存在的節(jié)理構(gòu)造與應(yīng)力環(huán)境進(jìn)行考慮，從而使得采煤中巖層發(fā)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(yù)防采煤沉陷提供理論和技術(shù)支持。本研究提出了一種新型的采煤沉陷模型，適合不同構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境、不同節(jié)理下對采煤沉陷的影響分析[1]。

1 數(shù)值試驗?zāi)Ｐ偷慕?/h2>

1.1 構(gòu)造應(yīng)力設(shè)計

通過大量的研究發(fā)現(xiàn)，構(gòu)造應(yīng)力與深度有著較大的關(guān)系[2]。構(gòu)造應(yīng)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(nèi)比自重應(yīng)力要大。這里，設(shè)水平應(yīng)力與自重應(yīng)力的比值為λ，擠壓應(yīng)力與自重應(yīng)力的比值為λ1。當(dāng)深度≤100 m時，λ1按照1.5～5.0分布；當(dāng)深度>100 m時，λ1按照0.5～2.5分布。由于巖石本身的力學(xué)性質(zhì)使擠壓構(gòu)造應(yīng)力遠(yuǎn)大于拉張構(gòu)造應(yīng)力，因此設(shè)拉張構(gòu)造應(yīng)力與自重應(yīng)力比值為λ2，λ2通常<0.5。為了分析不同構(gòu)造應(yīng)力與節(jié)理傾角耦合作用對采煤沉陷的影響，將λ1分別設(shè)為0.1、0.5、1.0、1.5、2.0，將λ2分別設(shè)為0.005、0.010、0.050、0.100、0.500。

1.2 節(jié)理傾角設(shè)計

當(dāng)巖層受到構(gòu)造應(yīng)力時，會發(fā)生位移或者產(chǎn)生極小的裂縫，這就是所說的節(jié)理。在巖層大的構(gòu)造運動中將產(chǎn)生大量節(jié)理，這些節(jié)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(gòu)造應(yīng)力下節(jié)理傾角對采煤沉陷的影響，本模型設(shè)計了2組傾向相反、而密度與力學(xué)性質(zhì)相同的節(jié)理，一組節(jié)理傾角不變，另一傾角分別設(shè)為0、30、60、90°。

1.3 構(gòu)造應(yīng)力與節(jié)理傾角耦合模型

將上述構(gòu)造應(yīng)力與節(jié)理傾角進(jìn)行耦合，能夠派生多個不同模型。構(gòu)造應(yīng)力與節(jié)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(shè)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?zāi)Ｐ?，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(xué)參數(shù)參考夏玉成等人的模型。表1為節(jié)理幾何與力學(xué)參數(shù)。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(qū)尺寸為320 m3×20 m3×2 m3，離邊界各340 m。

表1 節(jié)理幾何與力學(xué)參數(shù)

1.4 模型類別及約束條件

建立25個節(jié)理化擠壓應(yīng)力模型，考察采煤沉陷特征，在考慮覆巖自重應(yīng)力的基礎(chǔ)上向X、Y方向施加數(shù)值為λ1倍自重應(yīng)力的擠壓應(yīng)力，λ1分別輸入0.1、0.5、1.0、1.5、2.0，節(jié)理傾角輸入無節(jié)理和0、30、60、90°。建立25個節(jié)理化拉張應(yīng)力模型，在考慮覆巖自重應(yīng)力的基礎(chǔ)上，向X、Y方向施加數(shù)值為λ2倍自重應(yīng)力的拉張應(yīng)力，λ2分別輸入0.005、0.010、0.050、0.100、0.500，節(jié)理傾角輸入無節(jié)理和0、30、60、90°。建立4個無構(gòu)造應(yīng)力節(jié)理化模型，節(jié)理傾角分別為0、30、60、90°。建立1個既無構(gòu)造應(yīng)力也無節(jié)理構(gòu)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(shè)計根據(jù)幾何損傷理論的裂縫張量與摩爾庫倫模型，構(gòu)建了初始損傷節(jié)理巖體彈塑性本構(gòu)模型。

2 構(gòu)造應(yīng)力對節(jié)理地層下沉的影響分析

對采煤開挖影響進(jìn)行模擬，在模型構(gòu)建完成后研究沉降值，進(jìn)而獲得構(gòu)造應(yīng)力與節(jié)理耦合狀態(tài)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)擠壓構(gòu)造應(yīng)力為自重應(yīng)力的0.5倍，節(jié)理傾角在0、30、60、90°時，拉張構(gòu)造應(yīng)力為自重應(yīng)力的0.5倍。無節(jié)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(dāng)節(jié)理傾角為90°時，地表下沉達(dá)最大值；在無節(jié)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(gòu)造應(yīng)力或者拉張構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境下，只要存在節(jié)理，下沉值均增大，并與節(jié)理的傾角呈正相關(guān)關(guān)系，而沉陷范圍則與傾角呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

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

在節(jié)理傾角一定時，擠壓構(gòu)造應(yīng)力越大，地表下沉值越小，下沉值與擠壓構(gòu)造應(yīng)力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；拉張構(gòu)造應(yīng)力越大，地表下沉值越大，下沉值與拉張構(gòu)造應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系。

3 構(gòu)造應(yīng)力對節(jié)理巖層的影響分析

對同一傾角30°下，擠壓構(gòu)造應(yīng)力、拉張構(gòu)造應(yīng)力為自重應(yīng)力0.5倍的不同構(gòu)造應(yīng)力下的主斷面最大主應(yīng)力進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，在拉張構(gòu)造應(yīng)力下，拉張應(yīng)力分布范圍較廣，并且呈連續(xù)分布；在擠壓構(gòu)造應(yīng)力下，拉張應(yīng)力分布范圍小，并且不連續(xù)。這表示在擠壓構(gòu)造應(yīng)力與拉張構(gòu)造應(yīng)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過抗拉強度，因此很小的拉張構(gòu)造應(yīng)力就會在節(jié)理面、節(jié)理交接處集中應(yīng)力，對巖體造成破壞；而在擠壓構(gòu)造應(yīng)力下，巖層節(jié)理面與巖層空隙會被擠壓，增加節(jié)理面的接觸，增大摩擦力與摩擦系數(shù)，因此采煤沉陷不容易發(fā)生。只有當(dāng)擠壓構(gòu)造應(yīng)力超過巖層抗壓強度后，巖體才會被破壞。節(jié)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(jié)理將被激活甚至擴(kuò)大，進(jìn)而導(dǎo)致采煤沉陷的發(fā)生。當(dāng)節(jié)理傾角為0°，節(jié)理面與巖層層理方向、構(gòu)造應(yīng)力平行，受到構(gòu)造應(yīng)力時，巖層層理方向應(yīng)力集中，從而造成巖體破壞。當(dāng)?shù)乇砦灰圃黾?、面積變形增加時，節(jié)理的傾角就會增大，并開始出現(xiàn)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(fā)生。

4 結(jié)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(gòu)造應(yīng)力對節(jié)理地層下沉的影響分析、構(gòu)造應(yīng)力對節(jié)理巖層的影響分析發(fā)現(xiàn)，采煤沉陷與構(gòu)造應(yīng)力、節(jié)理傾角有直接關(guān)系。同時也表明，采煤前進(jìn)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(yù)防控制采煤沉陷。

[1] 賈曉峰.構(gòu)造應(yīng)力與節(jié)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(xué)陽，夏玉成.節(jié)理化覆巖在構(gòu)造應(yīng)力作用下對采煤沉陷的影響[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2014,34(3):51-53.

[3] 李曉軍.采煤沉陷控制中構(gòu)造壓力與節(jié)理耦合的作用分析[J].科技風(fēng),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(wèi)立，男，1963年出生，2013年畢業(yè)于太原理工大學(xué)采礦工程專業(yè)，工程師，現(xiàn)從事采礦技術(shù)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