基于數(shù)值模擬的巖溶區(qū)地表沉降應(yīng)用控制研究

肖中誠,張義平,2,3,劉懷謙,王春華,何 鑫

(1.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院, 貴州 貴陽 550025;2.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽 550025;3.貴州省復(fù)雜地質(zhì)礦山開采安全技術(shù)工程中心, 貴州 貴陽 550025)

0 引 言

我國西南巖溶廣泛分布,其地下蘊(yùn)藏的煤炭資源也十分豐富,而煤礦開采誘發(fā)的地表沉降問題已成為影響礦井經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)安全的關(guān)鍵問題.目前,對(duì)于一般地質(zhì)地貌區(qū)域的地表沉降規(guī)律前人已經(jīng)做了大量的研究,并取得了許多成果,而對(duì)于巖溶地區(qū)開采擾動(dòng)誘發(fā)的地表沉降應(yīng)用控制研究雖然也取得了一些成果,但進(jìn)展較慢.靳建明等[1G2]通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)、物理實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例相結(jié)合的方法,對(duì)開采過程中覆巖破壞、地表沉降機(jī)理進(jìn)行研究,計(jì)算出裂隙帶、冒落帶的高度,同時(shí)建立預(yù)測(cè)模型.廉海等[3]應(yīng)用FLAC數(shù)值軟件,對(duì)地下開采誘發(fā)的地表沉降問題進(jìn)行研究,得出開采過程中不同階段的地表移動(dòng)曲線,并簡(jiǎn)要的闡述了地表沉降的控制措施.唐春安等[4]在充分考慮巖體的材料非均質(zhì)性以及層理存在的基礎(chǔ)上,利用RFPA2D數(shù)值軟件從巖體裂紋產(chǎn)生、發(fā)育、覆巖破壞過程分析覆巖移動(dòng)和地表沉降之間的聯(lián)系.李鵬[5]運(yùn)用FLAC3D軟件通過數(shù)值模擬分析和物理實(shí)驗(yàn)研究采寬、坡度對(duì)地表移動(dòng)變形的規(guī)律,得到了篙峪煤礦開采后的覆巖位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和破壞場(chǎng),探討地表變形規(guī)律.于楷[6]運(yùn)用RFG PA分析了地下開挖引起的上覆巖層及地表移動(dòng),并通過理論計(jì)算得出了“三帶”高度,驗(yàn)證了關(guān)鍵層變形對(duì)整個(gè)覆巖移動(dòng)變形的影響.黃璜[7]從實(shí)際情況出發(fā),分析了貴州省巖溶地區(qū)煤礦開采過程中應(yīng)注意的事項(xiàng),及對(duì)開采引起的巖溶地表塌陷地暗河水的治理措施.Jonesll等[8]等研究了采空區(qū)上部覆巖中隱伏的斷裂、溶洞、溶井、溶道、空洞的移動(dòng)變形對(duì)地表沉降的影響.由于巖溶區(qū)地表沉降問題相對(duì)復(fù)雜,一般地質(zhì)地貌區(qū)域的地表沉降規(guī)律并不完全適用于巖溶地區(qū),因此,有必要對(duì)巖溶地區(qū)地下開采誘發(fā)地表沉降的應(yīng)用控制進(jìn)行研究.

1 工程概況

貴州巖溶區(qū)某礦1503工作面的傾向長(zhǎng)為986~1010 m,平均1000 m,走向長(zhǎng)為150 m,面積為150000 m2.5＃煤層作為1503工作面的主采煤層,其煤種為無煙煤,煤層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且簡(jiǎn)單,煤層厚度1.3~4.4 m,平均采厚為3 m.工作面區(qū)域煤層總體呈3°單斜構(gòu)造,屬簡(jiǎn)單地質(zhì)構(gòu)造,采面沿傾向布置,在煤巷30~170 m段發(fā)育有一寬緩起伏的小型背斜,局部巖層傾角增大到15°,煤層頂?shù)装逄卣髟斠姳?.

2 數(shù)值推導(dǎo)分析

2.1 數(shù)學(xué)模型確定“三帶”高度

根據(jù)研究礦區(qū)地質(zhì)資料,結(jié)合1503工作面煤層頂板巖性情況和經(jīng)驗(yàn)公式,計(jì)算出5＃開采過程中其冒落帶和裂隙帶的最大高度H1、H2分別為:

從上述理論計(jì)算得:5＃煤層開挖過程中,1503工作面冒落帶高度在10.95~15.95 m范圍內(nèi);裂隙帶高度在44.64~62.47 m 范圍內(nèi).

表1 5＃煤層頂?shù)装逄卣?/p>

2.2 數(shù)值計(jì)算模型的建立

根據(jù)1503工作面地質(zhì)資料應(yīng)用RFPA－Strata建立計(jì)算模型(見圖1).模型實(shí)際尺寸在水平和垂直方向上分別取500,350 m,網(wǎng)格劃分為500×350＝175000個(gè)單元,模擬過程中將5＃近似看成水平煤層,即煤層傾角取0°.采用平面應(yīng)變問題,水平方向和底部邊界均設(shè)置位移約束,由于所建模型建到了地表,模型上部為自由邊界,為了使模型更加接近于實(shí)際情況,在巖層之間的薄弱層理,厚度較大的巖層內(nèi)部設(shè)置弱面,并將性質(zhì)相近,厚度較薄的巖層合并,考慮覆巖的自重應(yīng)力.在九級(jí)灘段中設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)軸24 m、短軸19 m的橢圓形溶洞,計(jì)算模型如圖1.考慮邊界效應(yīng)的影響,模型兩邊各留175 m寬的煤柱,利用軟件的分步開挖功能從左向右開挖10步,每步向右推進(jìn)1 m,共推進(jìn)150 m,開挖厚度為3 m.

圖1 數(shù)值計(jì)算模型

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.3.1 工作面回采時(shí)覆巖移動(dòng)破壞過程

由圖2可知,開切眼形成后,在開挖引起的卸荷膨脹變形及巖層自重作用下,覆巖內(nèi)部應(yīng)力重新調(diào)節(jié),采空區(qū)上方形成一個(gè)應(yīng)力拱,其中應(yīng)力拱范圍內(nèi)的巖層水平方向上受擠壓,在垂直方向上受拉,而在應(yīng)力拱范圍之外,巖層的應(yīng)力重分布主要是自重引起的,受采動(dòng)影響較小.在采空區(qū)上方,覆巖卸壓,形成卸壓區(qū),應(yīng)力拱所處的巖層以及溶洞附近應(yīng)力集中,形成增壓區(qū).其中兩側(cè)煤柱處亮度大,表示所受壓應(yīng)力明顯增大,煤柱和應(yīng)力拱形成的拱形結(jié)構(gòu)對(duì)其上的巖層起到支撐作用.

圖2 工作面推進(jìn)15 m

由圖3可知,由于開采擾動(dòng)、覆巖自重提供動(dòng)力作用及采空區(qū)提供的移動(dòng)空間,上覆巖層發(fā)生移動(dòng)變形,且變形量在工作面的推進(jìn)過程中不斷變大,當(dāng)頂板巖層間變形量達(dá)到一定值,覆巖開始出現(xiàn)離層現(xiàn)象,懸空的頂板中間以及兩端產(chǎn)生大量破壞裂紋,溶洞附近也產(chǎn)生破壞裂紋,并不斷向四周擴(kuò)展延伸.當(dāng)工作面推進(jìn)至60 m時(shí),由于頂板破壞裂紋累積到一定程度,直接頂自右開始發(fā)生拱形破斷,并冒落在底板上,此時(shí),直接頂發(fā)生冒落.巖層的冒落和溶洞頂板的破壞都是拉伸破壞,采空區(qū)兩側(cè)附近發(fā)生剪切破壞.

圖3 工作面推進(jìn)60 m

由圖4可知,老頂發(fā)生冒落,頂板發(fā)生初次來壓,初次來壓步距為75 m,老頂冒落后,其上覆巖層也隨著冒落.

由圖5可知,破壞裂紋由于沒達(dá)到最大高度而繼續(xù)向上不斷發(fā)展,巖層破斷范圍隨著裂紋發(fā)展不斷變大,離層自下向上不斷發(fā)展,溶洞附近破壞裂紋也相應(yīng)增多,上覆巖層不斷冒落.

圖4 工作面推進(jìn)75 m

圖5 工作面推進(jìn)105 m

由圖6可知,推進(jìn)至135 m時(shí),覆巖變形破壞范圍繼續(xù)擴(kuò)大,停采線一側(cè)不斷發(fā)生巖層冒落.

由圖7可知,推進(jìn)至150 m時(shí),隨著開采的不斷進(jìn)行,覆巖移動(dòng)變形、離層、冒落范圍繼續(xù)擴(kuò)大,裂隙帶破壞裂紋數(shù)量也隨之增加,但增加速度并不快.溶洞附近的裂紋向四周發(fā)展,由于溶洞距離煤層較遠(yuǎn),因此受開采擾動(dòng)程度不大,溶洞附近破壞裂紋發(fā)展不是很劇烈,加之溶洞上方覆蓋層較厚,開采對(duì)溶洞的擾動(dòng)影響不是很大,溶洞上方巖層出現(xiàn)的拉伸破壞未能發(fā)展到地表.

圖6 工作面推進(jìn)135 m

圖7 工作面推進(jìn)150 m

通過分析圖形可知,5＃煤層開采過程中,1503工作面的冒落高度為17 m;裂隙帶高度為44 m,與理論計(jì)算的結(jié)果相差不大.

2.3.2 地表及內(nèi)部覆巖移動(dòng)規(guī)律分析

從圖8可以看出,地表沉降盆地兩側(cè)均向采空區(qū)移動(dòng).地表點(diǎn)移動(dòng)穩(wěn)定后,水平移動(dòng)位移最大值為18.2 mm.位移為零的接近于采空區(qū)中部.采空區(qū)正上方的覆巖活動(dòng)比兩側(cè)煤柱上方的覆巖運(yùn)動(dòng)劇烈,地表下沉最大值在采空區(qū)中部,采空區(qū)兩側(cè)的地表下沉量較采空區(qū)上方地表偏小.其中采空區(qū)左側(cè)因?yàn)榫偶?jí)灘段第一二亞斷中含有溶洞,在采動(dòng)影響下,加上溶洞的存在為其上覆巖層的移動(dòng)提供了空間,使得采空區(qū)左側(cè)地表的下沉位移稍微大于采空區(qū)右側(cè)地表的位移量.地表垂直位移最大值大約為142 mm.

圖8 地表水平位移曲線

由圖9可知,在溶洞上下方巖層內(nèi)距離溶洞等距離處標(biāo)志兩條直線M1、M2,導(dǎo)出地表穩(wěn)定后兩條標(biāo)志線位移數(shù)據(jù)并繪制成曲線圖,由于溶洞為其上部巖層的移動(dòng)提供了移動(dòng)空間,在溶洞上方一定范圍內(nèi),M2上方巖層內(nèi)M1位移量大于M2.

圖9 溶洞附近巖層位移曲線

2.3.3 煤層支撐壓力分布

在整個(gè)開采過程中,覆巖內(nèi)部的應(yīng)力處于不斷變化中,應(yīng)力的變化直接影響到覆巖移動(dòng)變形(見圖10).

從圖10可以看出,當(dāng)開切眼形成后,煤層中應(yīng)力發(fā)生重分布,采空區(qū)上方卸壓,壓應(yīng)力迅速減小,形成卸壓區(qū).采空區(qū)上方巖層的壓力部分轉(zhuǎn)移到兩側(cè)煤柱上,煤柱的支承壓力變大,煤層中應(yīng)力集中區(qū)隨著開采的進(jìn)行而不斷移動(dòng),最大壓應(yīng)力的大小也隨工作面的推進(jìn)而不斷變化,且煤柱兩側(cè)的應(yīng)力集中區(qū)都處于煤壁的后方一定范圍內(nèi),在應(yīng)力集中區(qū)域以外的煤層中,應(yīng)力變化在工作面的推進(jìn)過程中變化不大.從開切眼形成到工作面推進(jìn)60 m過程中,支承壓力峰值隨著工作面的推進(jìn)而不斷增加.當(dāng)推進(jìn)到距離開切眼60 m處,如圖10(b)所示,支撐壓力的峰值從8 MPa降到28 MPa,隨后,由于冒落在底板上的覆巖被壓實(shí),能夠?qū)ι细矌r層起到一定的支承作用,從而分擔(dān)部分煤壁承擔(dān)的壓力,一方面由于采空區(qū)越大,煤層支撐壓力變大,兩個(gè)因素影響下,當(dāng)工作面推進(jìn)到150 m時(shí),支承壓力由28 MPa降低到22 MPa.此后,支撐壓力的大小隨著覆巖的冒落壓實(shí)而不斷變化.由于超前壓力和卸壓區(qū)的存在,可能會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)附近的煤被擠向采空區(qū),給井下安全生產(chǎn)帶來威脅,因此,井下支護(hù)可以參考這一規(guī)律.

圖10 煤層支承壓力變化曲線

3 地表沉降控制措施

煤礦開采誘發(fā)的地表沉降問題已成為影響礦井經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)安全的關(guān)鍵問題,通過上文數(shù)值模擬分析,針對(duì)1503工作面5＃煤層的開采,可以通過以下措施減小地表沉降帶來的危害:

(1)通過數(shù)值模擬分析,正確確定離層帶的位置,并結(jié)合其在工作面推進(jìn)過程中擴(kuò)展以及閉合的規(guī)律,通過鉆孔向離層空間高壓注漿,充填加固離層裂隙,有效減小巖層移動(dòng)空間,從而減小地表沉降.

(2)在開采過程中,按一定比例預(yù)留煤柱,通過預(yù)留煤柱的辦法,開采一部分留一段煤柱,留下的煤柱能夠?qū)ζ渖细矌r層起到一定的支撐作用,減小覆巖移動(dòng)值.

(3)開切眼形成后,在泥質(zhì)粉砂巖冒落前,通過充填采空區(qū)的辦法減小覆巖移動(dòng),從而控制地表沉降.

(4)在煤層采出過程中,應(yīng)力集中發(fā)生在煤壁前方,因此可以通過超前支護(hù)減小煤壁的破壞,控制頂板的冒落.

(5)在隱伏溶洞尚未出現(xiàn)塌陷前,通過鉆孔填實(shí)空洞或加固溶洞附近巖層可以有效控制地表沉降量.

4 結(jié) 論

本文應(yīng)用RFPA－Strata建立了貴州巖溶區(qū)某礦的地表沉降數(shù)值模型,通過數(shù)值計(jì)算分析,初步得到以下結(jié)論:

(1)在5＃煤層開采過程中,應(yīng)力發(fā)生重新分布,在采空區(qū)上方形成應(yīng)力拱,應(yīng)力拱處和溶洞附近發(fā)生應(yīng)力集中.

(2)頂板的首次周期來壓產(chǎn)生在1503工作面75 m處.此后,每推進(jìn)15 m出現(xiàn)一次周期來壓.

(3)5＃煤層開采過程中,1503工作面的冒落高度為17 m;裂隙帶高度為44 m,與理論計(jì)算的結(jié)果相差不大.

(4)在5＃煤層開采過程中,開采擾動(dòng)對(duì)溶洞的影響較小,溶洞的拉伸破壞未發(fā)展到地表.在工作面推進(jìn)過程中,采空區(qū)上部接近采空區(qū)的覆巖移動(dòng)活動(dòng)比較劇烈,地表下沉量最大值處于采空區(qū)中心線附近,地表最大垂直位移值約142 mm,水平位移最大值為18.2 mm.

(5)在工作面推進(jìn)過程中,煤壁上的支撐壓力處于動(dòng)態(tài)變化中,在煤壁前方形成一個(gè)峰值,且峰值隨著工作面的推進(jìn)而不斷移動(dòng),隨著頂板的周期冒落,冒落在采空區(qū)上的碎塊被壓實(shí)后也能對(duì)上覆巖層起到支撐作用,因此,采空區(qū)中部也能分擔(dān)一部分應(yīng)力.同時(shí),由于開挖卸壓,使得煤層底板在卸壓作用下向上隆起,這時(shí)支撐壓力曲線出現(xiàn)負(fù)值.

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