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(dāng)一段時間內(nèi)，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(yīng)力破壞，會引發(fā)采空區(qū)上方的巖層移動，當(dāng)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(qū)域的經(jīng)濟生活造成一定的影響，特別是分布于黃土區(qū)域的煤礦，由于黃土的結(jié)構(gòu)特性，這種作用會更加明顯[1]。針對同煤某煤礦所在的地質(zhì)條件，對黃土層煤礦采用數(shù)值仿真分析的方式對地表的移動變形進(jìn)行分析，研究地表移動變形的規(guī)律，可以為具有相似地質(zhì)條件的礦井開采提供參考，從而避免出現(xiàn)地表沉陷的情況，為采空區(qū)的地表保護(hù)及災(zāi)害的預(yù)防等起到指導(dǎo)作用[2]。

1 工作面地表模型的建立

對工作面的地表變形進(jìn)行分析，首先采用UDEC軟件建立相應(yīng)的地表覆巖模型，UDEC是進(jìn)行離散單元計算分析的軟件，適用于覆巖及地表等非連續(xù)體的仿真分析，可以較為準(zhǔn)確的反應(yīng)變形的情況。UDEC包含不同的結(jié)構(gòu)模型，依據(jù)所進(jìn)行分析的煤礦地質(zhì)條件，選取塑性模型進(jìn)行數(shù)值分析[3]。依據(jù)煤礦的地質(zhì)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(jìn)行分析的模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)定，兩側(cè)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(jìn)行開采的長度為300 m，沿長度方向設(shè)置不同的監(jiān)測點一次進(jìn)行地表變形的仿真分析[4]。

2 開采地表變形仿真分析

依據(jù)UDEC建立的模型，對地表變形進(jìn)行分析，由于在地表變形中，地質(zhì)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(zhì)因素下主要的黃土層厚度進(jìn)行分析[5]。

圖1 地表分析模型及監(jiān)測點

針對所建立的模型，采用UDEC軟件設(shè)置相應(yīng)的煤巖的力學(xué)參數(shù)，巖層的組合依據(jù)實際的礦井條件進(jìn)行確定，保證開采條件不變的情況下，設(shè)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(jìn)行分析。

通過UDEC模擬計算，得到不同黃土層厚度下的變形結(jié)果，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)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(xiàn)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(dá)到一定厚度之后，其地表的垂直位移量呈現(xiàn)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(xiàn)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(dá)到一定值后，地表的水平位移呈現(xiàn)減小的趨勢。

通過上述的分析可知，在進(jìn)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(guān)系，當(dāng)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(dāng)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(xiàn)線性的增加，這是由于黃土層的結(jié)構(gòu)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(jìn)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(jìn)行消散，其向上繼續(xù)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(jìn)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(xiàn)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(shù)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(jié)論

我國具有分布廣泛的煤炭資源，對煤炭進(jìn)行開采的過程中，由于采空區(qū)的存在，會引起相應(yīng)的地表變形，嚴(yán)重會引發(fā)地質(zhì)的塌陷，造成經(jīng)濟的損失。黃土層由于結(jié)構(gòu)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(jìn)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(xiàn)非線性的關(guān)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(jié)構(gòu)特性相關(guān)，較小厚度的黃土層在采動作用下會產(chǎn)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(jù)地表變形的數(shù)據(jù)，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(jìn)行預(yù)測，從而更加科學(xué)的指導(dǎo)煤礦的開采，提高煤礦開采的經(jīng)濟效益。