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Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 煤层赋存条件多样，不同的赋存条件开采方式 也各不相同， 其对地表及覆岩产生的影响也不同。 山 复杂地貌下行式开采地表移动变形规律 董灿灿 1， 吕义清1， 刘志辉1， 郑劭铎2 （1.太原理工大学 矿业工程学院， 山西 太原 030024； 2.建设综合勘察研究设计院有限公司， 北京 100007） 摘要 为了研究复杂地貌条件下下行式开采地表移动变形规律， 结合山西某煤矿工程地质条 件， 采用理论分析和 FLAC3D数值模拟相结合的方法， 通过构建含复杂地貌的三维模型， 分析了 研究区地表在 8煤和 11煤下行式重复采动作用下地表的移动变形特征以及地表坡体失稳破 坏机理。结果表明 由于 8煤层覆岩厚度较小， 8煤层开采后， 采空区上方部分区域断裂带直达 地表； 8煤层底板破坏带深度达 16.08 m， 对 11煤顶板稳定性产生一定的影响， 但 11煤开采时 仍能形成稳定顶板； 8煤和 11采动下地表最大下沉值分别为 1.331、 1.626 m，地表沉陷范围呈 现以采空区为中心的近椭圆形， 重复采动下地表移动变形范围变化较小； 地表移动变形受到地 形的影响， 在陡坡地带地表沉陷范围和水平位移均明显增大； 地表坡体坡脚处发生剪应力集中， 坡体后缘受到拉应力作用， 在降雨和震动作用下， 坡体易发生破坏形成地质灾害。 关键词 复杂地貌； 下行式开采； 三维数值模型； FLAC3D； 覆岩破坏； 地表移动变形 中图分类号 TD325.2文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020） 11-0237-06 Surface Movement and Deation Law in Downward Mining of Complex Geomorphology DONG Cancan1, LYU Yiqing1, LIU Zhihui1, ZHENG Shaoduo2 （1.College of Mining Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China;2.China Institute of Geotechnical Investigation and Surveying, Beijing 100007,China） Abstract To study the law of surface movement and deation in downward mining under complex land conditions, com－ bined with the engineering geological conditions of a coal mine in Shanxi Province, a combination of theoretical analysis and FLAC3Dnumerical simulation is used to construct a three-dimensional model with complex lands. The characteristics of the movement and deation of the ground surface and the instability and failure mechanism of the surface slope under the 8 coal and 11coal repeated downward mining operation. The results show that due to the small overburden thickness of the 8coal seam, after the mining of the 8coal seam, the fracture zone in some areas above the goaf reaches the surface directly; the depth of the failure zone of the 8coal seam floor is up to 16.08 m, which has a certain effect on the stability of the 11coal roof , but the 11coal mining can still a stable roof; the maximum surface subsidence values under the 8coal and the 11mining are 1.331 m and 1.626 m, respectively, and the surface subsidence area presents a near ellipse with the goaf as the center, the defor－ mation range of ground movement under repeated mining changes little; the surface movement deation is affected by the to－ pography, and the surface subsidence range and horizontal displacement in the steep slope area significantly increase; the shear stress concentration occurs at the foot of the surface slope, and the rear edge of the slope body is subjected to tensile stress. Un－ der the action of rainfall and vibration, the slope is prone to damage and s the geological disaster. Key words complex geomorphology; downward mining; three-dimensional numerical model; FLAC3D; overburden failure; surface movement and deation DOI10.13347/ki.mkaq.2020.11.049 董灿灿， 吕义清， 刘志辉， 等.复杂地貌下行式开采地表移动变形规律 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （11） 237-242. DONG Cancan, LYU Yiqing, LIU Zhihui, et al. Surface Movement and Deation Law in Downward Min－ ing of Complex Geomorphology ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （11） 237-242.移动扫码阅读 基金项目 山西省自然科学基金资助项目 （201701D121015） 237 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 1上煤开采后岩体变形特征 Fig.1Rock mass deation after mining in upper coal seam 西矿产资源丰富，煤炭资源储量更是居于我国众多 省份前列，多煤层赋存地区也较多，例如大同、 西 山、 晋城、 忻州等。随着社会的不断发展， 人口数量 不断增加，能源的需求量也是供不应求，浅埋煤炭 资源的枯竭使得煤层开采深度逐渐增大，煤炭资源 的开采最终会在地表出现比采空区面积大的多的塌 陷区，破坏了地表移动盆地范围内的道路、研究区 生态地质环境， 影响附近居民的生活和生产等[1-2]。 多煤层开采受多种因素影响，其中包括煤层间岩层 厚度、 岩性、 开采顺序、 开采方式、 煤层倾角等[3-4]。赋 含多煤层的煤层群重复采动会造成上覆坚硬顶板的 损伤累积，且坚硬顶板储存大量弹性能，煤层开采 后，顶板失去支撑产生损伤，断裂时释放岩体内储 存的弹性能，同时伴生强大的破断冲击效应，进一 步可能会诱发冲击地压、煤与瓦斯突出等复合型动 力灾害，威胁煤矿的安全生产和人员的生命财产安 全[5]。近年来， 对于多煤层重复采动下地表移动变形 的研究较多，但大都是基于平坦地表下，对于地表 起伏较大情况下的采煤过程研究较少，因此，研究 复杂地貌多煤层的重复采动下地表的移动变形规律 具有一定的实践意义。 结合研究区实际情况，利用有限元分析软件 MIDAS 建立复杂地貌下的模型， 并对其进行网格划 分，导入有限差分分析软件 FLAC3D对模型进行赋 值，采用下行式开采方式进行开挖计算。为了更加 接近实际开采情况，对模型煤层进行分层、分阶段 开挖，沿与煤层推进垂直的方向和推进方向布设监 测点，对地表的应力和位移变化进行分析总结， 获 得了复杂地貌在重复采动下地表的移动变形规律。 1工程地质概况 研究区位于晋西北黄土高原一带黄河东部， 地 表土体为第四系黄土，区域总体地势为北东高南西 低， 地形起伏较大， 冲沟发育， 冲沟中可见零星的基 岩出露。区域构造简单，总体为西南向缓倾单斜构 造， 地层产状平缓。根据野外调查结果， 研究区内黄 土塌陷发育，采空区上方也发现一些地裂缝，区域 垂直节理发育， 在降雨的不断冲刷下， 易发生滑坡、 崩塌等地质灾害。 研究区内可采煤层为 8煤和 11煤， 8煤布置 有 8102 和 8103 2 个工作面， 目前已基本开采完成， 11煤规划在 20202023 年进行开采， 研究区内 11 煤层开采工作面规划为三采区内的 11305 工作面和 四采区内的 11407 工作面，设计工作面推进长度为 400 m， 工作面宽度为 180 m。 2下行式开采覆岩变形特征 上煤开采以后，顶板岩层在上覆岩土体压力作 用下产生移动变形并在局部发生坍塌形成垮落带； 垮落带上方一定范围内的岩体产生断裂和缝隙， 岩 体的完整性遭到破坏从而形成断裂变形带；断裂 带上方岩层在自重应力以及上覆岩层的压力作用 下， 整体向下弯曲， 既不断裂， 也不脱落， 从而形成 弯曲下沉带[6-7]。研究区 8煤层埋深 4 ～119 m， 上方 覆岩厚度 4 ～29 m， 属浅埋煤层。根据 建筑物、 水 体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程 中 经验公式 [8] 计算可得 8煤开采后垮落带高度为 8.382～12.782 m，断裂带高度为 34.4～45.6 m，在采 空区上方部分区域断裂带直达地表，使得地表产生 开裂变形；下煤重复开采以后，垮落带和断裂带进 一步向上发展，地表开裂变形范围扩大，地表下沉 值也随之增大[9-10]。 同时， 由矿山压力与岩层控制理论， 多煤层下行 式开采时， 上部煤层开采后， 下层岩体间应力降低， 底板向上臌胀，一定深度范围内的岩体产生大量裂 隙，岩层的完整性、弹性模量和强度等岩性特征都 将在一定程度上有所降低[11-12]。当上煤层底板破坏 深度较大或上下煤层间距较小时，下煤层开采时覆 岩将难以形成稳定的砌体梁结构[13]而发生整体垮 落， 上煤开采后岩体变形特征如图 1。 因此，确定上煤层开采时底板破坏深度对于分 析下煤开采覆岩破坏特征具有重要意义。根据建 筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采 规程 中底板破坏深度 h 经验公式 h0.008 5H0.107 9L0.166 5α-4.357 9（1 ） 式中 H 为采深， 取 119 m； L 为工作面斜长， 取 180 m； α 为地层倾角， 取 0。 计算可得底板破坏深度约为 16.08 m。 238 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 2研究区地质体三维几何模型 Fig.2Three-dimensional geometric model of geological body in study area （a ） 研究区三维初始模型 （b ） 研究区采空区分布图 研究区 8煤层与 11煤层间距为 37 m， 在 8煤 开采后 11煤上方尚有约 20 m 厚的稳定较坚硬覆 岩， 且 8煤开采后破坏垮落的岩块在上覆岩体的重 力作用下被逐渐压实， 形成再生顶板。 因此， 11煤开 采时顶板破坏特征符合一般的 “砌体梁” 结构。 3数值模拟 3.1计算模型 FLAC3D可以有效地解决非线性大变形的力学 计算，但在建立符合实际地貌形态的地质体上有 一定难度， 因此， 首先采用 MIDAS GTS NX 建立复 杂地貌条件下的三维数值模型， 然后导入 FLAC3D进 行计算。根据钻孔柱状图资料、岩石力学试验和现 场实验， 结合工程经验， 综合得到模型的各项物理力 学指标参数， 对各岩土层进行赋值， 对煤层进行开挖 计算。 为了简化计算，将研究区的数值模型中地层按 岩性和完整性自上而下划分为 12 个工程地质岩组， 模型地表起伏较大， 地形地貌复杂， 且其上覆黄土和 红土厚度较大。地层分布及主要力学参数见表 1。 建立模型水平方向尺寸为 800 m1 000 m， 竖 直方向高度随地形起伏， 网格尺寸为 20 m， 共生成 节点 38 200 个， 单元 82 253 个。8和 11煤层均包 含 2 个采空区， 尺寸为 180 m400 m， 2 个采空区之 间留设 40 m 的保安煤柱， 煤柱两侧均采空， 模型的 底部、 前后左右侧面均设置为固定约束， 顶部为自由 边界，区域下方无断层等地质构造，煤层间间距为 37 m。材料的变形与破坏服从摩尔-库仑强度准则， 为排除模型边界效应影响，模型的左右边界均留 200 m。开挖之前将位移场和速度场清零， 确保模拟 过程中产生的位移是在煤层开采条件下产生的， 研 究区地质体三维几何模型如图 2。 3.2地表位移特征 根据模拟结果，地表下沉范围呈现为以采空区 为中心的近椭圆形，最大下沉值位于采空区中心 处。下行式重复开采时， 8煤开采结束后地表最大 下沉值为 1.331 m， 11煤开采结束后地表最大下沉 值为 1.626 m，每个工作面开采下地表最大下沉量 占最终地表最大下沉量的比例分别为 71.16、 81.86、 98.28、 100。 8煤开采后， 地表 x 方向最大 正、 负位移值分别为 0.78、 0.353 m， 地表 y 方向最大 正、负位移值分别为 0.436、 0.603 m； 11煤开采后， 地表 x 方向最大正、 负位移值分别为 0.95、 0.417 m， 地表 y 方向最大正、 负位移值分别为 0.536、 0.744 m。 各方向地表位移云图如图 3。 由图 3 可知， 研究区下行式重复开采时， 地表移 动变形的规律为 1） 下行式重复开采后， 地表各方向位移值均随 之增大， 地表沉陷影响范围较 8煤层初次开采变化 不大，且地表位移值主要由 8煤层初次开采引起， 表 1地层分布及主要力学参数 Table 1Stratigraphic distribution and main mechanical parameters 序号岩层 厚度 /m 体积 模量 /GPa 剪切 模量 /GPa 密度/ （kg m-3） 黏聚 力 /MPa 内摩 擦角 / （） 抗拉 强度 /MPa 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 黄土 红土 泥岩 粗砂岩 粉砂质泥岩 8煤 粉砂质泥岩 细砂岩 粉砂质泥岩 11煤 泥岩 粗砂岩 0～50 0～40 0～9 0～5 4～15 4 5 17 15 4 4 40 0.185 0.152 6.100 7.050 6.800 1.040 6.800 10.200 6.800 1.040 6.100 7.050 0.076 0.083 2.800 8.040 3.200 0.460 3.200 4.800 3.200 0.460 2.800 8.040 1 420 1 850 2 300 2 430 2 370 1 300 2 370 2 400 2 370 1 300 2 300 2 430 0.032 0.030 1.500 4.400 1.900 0.900 1.900 1.600 1.900 0.900 1.500 4.400 22.4 17.0 29.0 39.2 30.0 29.0 30.0 40.0 30.0 29.0 29.0 39.2 0.10 0.10 1.20 2.50 1.20 0.70 1.20 1.40 1.20 0.70 3.82 2.50 239 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 图 3各方向地表位移云图 Fig.3Surface displacement cloud maps in all directions 且 8煤开采下走向边界角左右两侧分别为 45、 41， 11煤重复开采后地表位移值变化幅度较小， 开 采后走向边界角左右两侧分别为 54、 49。 2） 地形起伏对煤层开采后地表沉陷范围具有一 定程度的影响，地表下沉最大值位置偏向倾斜方向， 采空区上方坡面处比谷底处的沉陷影响范围大。 3） 地表水平方向最大位移值位于采空区两端处 并指向采空区中心，同时地表水平位移受地形的影 响较大，陡坡地带水平位移值远大于沟谷底部较平 坦地带。 3.3地表移动变形动态规律 为了分析随各工作面推进地表移动变形动态规 律， 选取地 y500 m、 x290 m、 x510 m 3 条典型剖 面对各阶段地表下沉曲线进行分析。监测线剖面上 各阶段地表下沉曲线如图 4。 由图 4 可知， 沿煤层走向方向， 随着工作面的推 进， 沉陷中心随之向工作面推进方向移动， 均位于采 空区中心处上方， x290 m 和 x510 m 2 个剖面地 表移动变形动态规律基本一致。8煤层开采时， 工 作面推进到 160 m 时， 地表开始下沉变形， 随着工 作面继续推进地表下沉量逐渐增大且下沉范围也随 之增大。同时，当各阶段推进距离一定均为 80 m 时，地表下沉值增大幅度逐渐增大，当工作面推进 到 400 m 时， 采空区上方岩层发生整体破坏地表下 沉值由约 0.5 m 左右变为接近 1.2 m。 11煤开采后， 地表下沉值有所增加但增加幅度较小，且地表沉陷 范围基本保持不变。 沿工作面倾向方向，地表下沉值变化规律与走 向方向相似， 受到其正下方采空区的影响较大， 且主 要由 8煤层开采引起。在 2 个采空区中间煤柱处上 方地表， 由于两侧坡体向下移动产生挤压力， 引发其 产生一定程度的隆起， 最大值为 0.095 m。两侧采空 240 Safety in Coal Mines Vol.51No.11 Nov. 2020 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 图 5地表最大剪应变增量云图 Fig.5Incremental cloud map of maximum surface shear strain 图 4监测线剖面上各阶段地表下沉曲线 Fig.4Surface subsidence curves at each stage on the monitoring line profile 区上方下沉曲线基本一致但在一定程度上受到地形 和松散层厚度的影响，右侧采空区上方中心处为谷 底， 松散层厚度极薄， 故地表最大下沉值小于左侧。 3.4地表坡体破坏特征 在复杂地貌区， 由于地表起伏较大、 陡坡较多， 除地表沉陷外由采煤引起的边坡失稳如崩塌、滑坡 等也是重要的灾害类型，需对其破坏特征进行分析 研究。处于沟谷区域的坡体，当坡体内的某个面上 的剪切应力达到了坡体的抗剪强度，坡体平衡状态 被破坏， 容易稳引发滑坡、 崩塌等地质灾害， 因此， 可根据地表坡体剪应变增量分布规律来判断坡体的 变形破坏特征。 地表最大剪应变增量云图如图 5。由图 5 中可 知， 8煤层开采后，最大剪应变增量约为 0.045， 11 煤开采后， 地表最大剪应变增量约为 0.053， 且最大 剪应变增量分布位置相同，均在采空区端部上方的 各坡脚处， 在重复采动下， 最大剪应变增量有一定程 度的增大，最大剪应变增量较大的区域容易发生滑 坡、 崩塌等地质灾害。同时， 由于煤层采出后上方岩 体受到拉应力作用，采空区上方坡体后缘会产生拉 裂缝，在降雨、震动等作用影响下坡体发生缓慢蠕 变， 当后缘拉裂缝与前缘剪切裂缝贯穿以后， 坡体即 发生整体破坏。 4结论 1） 8煤层推进过程中， 覆岩破坏形成了 “三带” ， 部分区域裂隙直达地表，同时对底板造成了一定程 度的破坏， 但 11煤顶板坚硬且厚度较大， 受到影响 较小。因此，下行重复采动时地表的下沉量虽逐渐 增大， 但主要由 8煤初次开采引起。 2） 下行式开采过程中， 地表下沉特征和单一煤 层开采时基本一致，表现为以采空区为中心的近椭 圆形，在采空区中心处达到最大值。地形对地表沉 陷值影响明显，坡面处沉陷范围大于沟谷处，水平 位移值在陡坡地带也明显大于平坦地带。 3） 复杂地貌下， 采煤不仅会引发地表沉陷， 也会 诱发边坡失稳产生崩塌和滑坡等地质灾害。采空区 上方坡体在前缘剪应力和后缘拉应力共同作用下产 生裂隙， 在降雨和震动作用的影响下， 坡体会产生进 一步蠕变， 发生整体破坏。 4） 复杂地貌下多煤层开采时， 要对研究区进行 定时、 定点观测， 开采前需对重复采动条件下地表和 241 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 11 期 2020 年 11 月 Vol.51No.11 Nov. 2020 研究 ［J］ .煤矿安全， 2019， 50 （8） 56-62. ［30］ 梁向阳， 方刚， 黄浩.榆神矿区曹家滩井田水文地球 化学特征研究 ［J］ .干旱区资源与环境， 2020， 34 （5） 102-108. ［31］ 段东伟， 丁湘， 蒲治国， 等.基于充水条件比拟的工作 面涌水量预计方法 ［J］ .煤矿安全， 2019， 50 （5） 209. ［32］ 黄欢.矿井涌水量预测方法及发展趋势 ［J］ .煤炭科学 技术， 2016， 44 （S1） 127-130. ［33］ 王悦， 夏玉成， 杜荣军.陕北某井田保水采煤最大采 高探讨 ［J］ .采矿与安全工程学报， 2014， 31 （4） 558. 作者简介 黄浩 （1988） ， 河南信阳人， 助理研究员， 硕士， 主要从事矿井水文地质及防治水方面的工作。 通讯作者 方刚 （1988） ， 陕西西安人， 助理研究员， 西安科技大学在读博士研究生，从事矿井水文地质及防治 水方面的工作。 （收稿日期 2020-04-02； 责任编辑 陈洋） （上接第 236 页） 岩层产生的的移动变形进行预测，以及可能引起的 活化作用，考虑留设保安煤柱，计算好留设煤柱的 位置及煤柱尺寸。 参考文献 ［1］ 蒯洋， 刘辉， 朱晓峻， 等.厚松散层下多煤层重复开采 地表移动规律 ［J］ .煤田地质与勘探， 2018， 46 （2） 130-136. ［2］ 郭文兵， 黄成飞， 陈俊杰.厚湿陷黄土层下综放开采动 态地表移动特征 ［J］ .煤炭学报， 2010， 35 （S1） 38-43. ［3］ 崔希民， 邓喀中.煤矿开采沉陷预计理论与方法研究 评述 ［J］ .煤炭科学技术， 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