开采顺序对地表沉陷影响的数值模拟研究.pdf

第 4卷第 5期 2 0 0 8年 1 0月 地 下 空 间 与 工 程 学 报 C h i n e s e J o u r n a l o f Un d e r g r o u n d S p a c e a n d En g i n e e ri n g Vo 1 ． 4 0c t ． 2 0 08 开采顺序对地表沉陷影响的数值模拟研究 谢 东海 r ， 冯 涛 ， 袁 坚 1 ． 中南大学资源与安全工程学院， 长沙 4 1 0 0 8 3 ； 2 ． 湖南科技大学能源与安全工程学院， 湖南 湘潭4 1 1 2 0 1 ； 3 ． 湖南省第一工业设计研究院 ， 长沙4 1 0 0 1 1 摘要 为了充分开采建筑物下的煤炭资源和缓解矿 区采掘接替 紧张的矛盾 以及延长矿 井服务年限， 同时又能最大限度地减小地下开采对地表建筑物损 害， 结合湖南省新生煤矿伍 家 冲矿井特定的地质采矿条件 ， 对工作面开采顺序与地表移动和变形的关系进行 了数值模拟研 究。模拟的结果表明， 采用跳采开采时， 建筑物的地表移动和变形各参数的最大值比顺序开采 时的值要 小 。 关键词 顺序开采； 跳采； 地表沉陷； 破坏等级 ； 工作面推进速度 中图分类号 P 6 4 2 ． 2 6 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 3 - 0 8 3 6 2 0 0 8 0 5 -09 2 3 - 0 4 S t u d y o n Si m u l a t i o n t o t h e I nf l ue n c e o f M i n i n g 0r de r o n S ur f a c e S ubs i d e nc e XI E D o n gh a i ， F E NG T a o ，YUAN J i a n 1 ．S c h o o l o fR e s o u r c e s a n d 5 柏 E n g i n e e r i n g 。 C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t 。 C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ，C h i n a； 2 ． S c h o o l ofE n e r g y＆S a f e t y E n g i n e e ri n g 。 H u n a n U n i v e r s i O of S c i e n c eT e c h n o l o g y I H u n a n 。 X i a n g t a n 4 1 1 2 0 1 ， P ． R ． Ch i na ； 3 ．H u n a n D e s i g n R e s e a r c h I i n s t i t u t e ofI n d u s t r y N o l ， C h a n g s h a 4 1 0 0 1 1 ． 尸 ． R ． C h i n a Abs t r ac t To f u l l y e x p l o i t t h e c o a l r e s o u r c e u nd e r b u i l d i n g，a nd t o e a s e t h e c o n f l i c t o f e x pl o i t a t i o n a nd mi n i ng- S O as t o p r o l o n g s e r v i c e t i me of t h e mi n e a n d r e d u c e t h e d a ma g e t o t h e b u i l d i n g c a u s e d b y mi n i n g a c t i v i t y u n d e r b u i l d i n g t o i t s m i n i m u m，t h e m i n i n g s c h e m e i s s t u d i e d ．R e f e r r i n g t o t h e g e o l o g i c al a n d m i n i n g c o n d i t i o n of Wu j i a c h o n g mi ne Xi n s he n g c o l l i e r y i n Hu n a n。t he r e l a t i o n b e t we e n mi n i ng or d er a n d d i s p l a c e me n t an d d e f o r ma t i o n of g r o un d s u r f a c e i s s i mu l a t e d 。t h e r e s u l t o f n u me ric a l s i mu l a t i o n s h o w s t h a t t h e ma x i mu m v a l u e s o f v a ri o u s p a r a me t e r s o f b u i l d i n g s u rf a c e m o v e m e n t a n d d i s t o r t i o n d u ri n g s u c c e s i v e m i n i n g i s b i g g e r t h a n t h o s e f o r j u m p m i n i n g ． Ke y w o r d s s u c c e s i v e m i n i n g ； j u m p min i n g ； g r o u n d s u r f a c e s u b s i d e n c e ； d a m a g e g r a d e adv a n c e r a t e o f w o r k i n g f a c e 1 前 言 随着社会的发展和生产技术的进步 ， 人们对能 源的需求量越来越大 ， 作为主要能源的煤炭正大量 地从地下开采出来。煤炭从地下采 出后 ， 其上方覆 盖岩层失去支撑 ， 岩体内部的原有应力平衡状态受 到破坏 ， 引起岩体内应力的重新分布， 使采空 区周 围的岩体产生位移 、 变形直至破坏。当采空区面积 达到一定的范围后 ， 引起采空区上方地表产生移动 与变形 。地表 的移动与变形影响建筑物的基础 ， 导 致 建 筑 物 出 现 移 动 和 变形 ， 甚 至 出现 破 坏 现 象 ] 。 开采沉陷对环境的影响主要表现在 地表耕地 受到破坏； 干旱山区地表水系受到破坏 ； 平原地 区 收稿 日期 2 0 0 8 - 0 3 - 0 5 修改稿 作者简介 谢东海 1 9 6 3 一 ， 男， 湖南涟源市人 ， 高级实验师， 博士研究生， 主要从事采矿工程研究。E - ma i l d o n g h ai x i e 1 6 3． e o m 基金项 目 湖南省科技厅重点项 目“ 南方煤矿绿色安全 开采 技术体 系研究 ” 项 目号 0 5 s k 2 0 0 8 维普资讯 地 下 空 间 与 工 程 学 报 第 4卷 大片地表移动形成盆地面积水； 受采动影响的山地 产生滑坡 ， 危及工业及民用建筑物和生活生产设施 的安全 ； 道路塌陷、 房屋变形破坏 等。报 据调 查测算 ， 井 下开采 每万 吨原煤造成 的土地 塌陷在 0 ． 0 3 0 5 3 h m ， 平均为 0 ． 1 3～ 0 ． 2 0 h m 。按我 国 原煤产量推算， 每年仅采煤行业导致的土地塌陷即 达 2 ． 6 7 X 1 0 4 h m 。据不完全统计 ， 我 国因采矿业 造成的地面塌陷面积已达 3 3 ． 3 3 4 O ． 0 0 X 1 0 h m ， 其中耕地为 8 ． 6 7 X 1 0 h m - 5 J 。 我国从2 0 世纪五十年代开始研究村庄下压煤 不迁村开采技术， 前期以引进和学习国外先进经验 为主。我国建筑物下采煤的试验研究工作从 2 0世 纪六十年代开始 ， 先后在本溪、 鹤壁、 抚顺 、 枣庄 、 峰 峰、 蛟河等矿区进行建筑物下采煤试验 ， 取得 了丰 富的经验和宝贵的监测资料。然而 ， 在涉及到开采 顺序与地表移动和变形的关系时 ， 迄今对其研究还 比较少 ； 金属矿山也只对开采区的顶板安全厚度进 行过少量的研究l 6 ， 7 _ 。为此 ， 在建筑物下采煤还没 有明确的结论可供借鉴 。本文试图利用 F L A C数 值模拟软件对开采顺序与地表移动和变形的关系 进行研究 ， 以揭示其特有的规律。 2 工程 概 况 某矿 2 4采 区位于井田北翼 ， 北邻矿井边界 ， 南 临 2 2采 区， 浅 部 至北 大巷 保安 煤 柱 ， 深 部 至 一 3 5 0 m煤层底板等高线 ， 整个采 区面积约为 2 2万 m ， 地质储量为 7 9万吨 ， 工业储量为 6 6万吨 ， 可采 储量 5 2 ． 8万 吨。根据钻孔资料表 明， 采 区出露地 层与井 田地层一致 ， 有二迭系 、 三迭系和第 四系 ， 成 煤时代属二迭系乐平统龙潭组属三角洲平原的沼 泽沉积含煤段平均厚度为 3 ． 5 9 m。采区地层 呈单 斜构造 ， 倾角 1 3 。 左右 ， 浅部地层 ， 小型地质构造发 育 ， 采区南翼边界是 断层 ， 次生构造发育。 3开采方案设 计 根据该矿 目前的实际情况 ， 提出下一个采煤工 作面的布置位 置。一种是沿 2 4 6 0 7工作面右侧开 采 2 4 6 0 9工作面， 称为顺序开采。该方案的优点是 开采后能够抵 消 2 4 6 0 7工作面开采形成 的一部分 拉伸变形 ， 从而减小对民房 的损害， 缺点是可 能形 成新 的拉伸变形区 ， 同时由于开采面积 的增大 ， 会 继续增大地表 下沉值。另一种是跳过 2 4 6 0 9工作 面， 先开采 2 4 6 1 1工作面。该方案的优点是它类似 于大采宽条带开采。能够在一定程度上减少地表 下沉值 ， 缺点是会在 2 4 6 0 7工作面和 2 4 6 1 1 工作面 之间造成地表变形值的叠加 ， 加重地表建筑物的损 害程度。顺序开采和跳采方式两种方案工作面的 倾斜长度为 1 0 0 m， 走向长度为 3 0 0 m。两种方法各 有利弊 ， 需要对两种方案作进一步的研究 。 图 1 顺序开采示意图 F i g ． 1 Ma p o f s u c c e s i v e mi n i n g 图 2跳采 开采不 意图 F i g ． 2 Ma p o f j u mp mi n i n g 4 计算参数的选取 ’ 4 ． 1 表土层物理力学参数 表土层是塑性较强的弹塑性地质材料 ， 在材料 达到屈服极 限后 ， 可产生较大的塑性流动。本研究 对表土采用莫尔一库仑屈服准则 o r 1一o r 3 一2 c c o s 一 lo r 3 s i m p 1 式中 o r ， 分别是最大和最小主应力 ； c 、 分别 为表土的粘结力 和摩擦 角； 当 0时 ， 表土将发 生剪切破坏。 表 1 表土物理力学参数 Ta b l e 1 S u r f a c e s o i l p h y s i c o me c ha n i c a l p a r a me t e r 4 ． 2 岩石与煤物理力学参数 根据大量岩石力学实验证实 ， 岩石破坏后强度 有所降低， 产生弱化， 这是莫尔一库仑准则所不能 反映 的， 故 本 文 对 岩 石 与 煤 采 用 虎 克一布 朗 H o c k --b r o w n 强度准则 ， ． 2 式中 是在岩石峰值强度时的最大主应力； ， 是 最小主应力； m， s 是材料常数， 取决于岩石性质和原 始破裂状况； o - 是岩石单轴抗压强度。此外 ， 当拉 维普资讯 2 0 0 8 年第 5期 谢东海， 等 开采顺序对地表沉陷影响的数值模拟研究 9 2 5 应力超过材料的抗拉强度时， 材料将 发生拉破坏。 表 2给出了试验测试的岩石和煤的物理力学参数。 表 2 岩石与煤物理力学参数 Ta bl e 2 Ro c k an d c o al phy s i c o mec han i c al par a m e t e r 4 ． 3 冒落矸石物理力学参数 采空区冒落矸石是一种松散介质， 随着间隔时 间的增加 ， 采空区冒落矸石逐步被压实 ， 强度逐步 提高， 可近似地用弹性支撑体表述。模拟中采用改 变垮落带力学参数的办法。矸石 的密度 D 、 弹性模 量 E和泊松比 都随时间 t 而增加 ， 可由下列经验 公式表述_ P1 6 0 0十 8 0 0 1 e 一 k g ／ m 3 E1 51 7 5 1 一e 一 MP a 4 0 ． 0 5 0 ． 2 1 一 e 5 式 4 ～ 式 6 中 时间 的单位为 口 。 图3 顺序开采位移等值线图 Fi g． 3 Th e di s p l a c e me n t i s o a m o f s u c c e s i v e mi n i n g 筌 『 专 磷 一＼ 。 。 j } ； 图 4 跳采位移等值线图 F i g ． 4 T h e d i s p l a c e m e n t i s o g r a m o f j u m p m ini n g 5 模 拟结果分析 A一跳采时地表下沉曲线 B一顺序开采时地表下沉曲线 倾斜 ／ m 最 n J L L c 4 、 c 6 L ， l 值ll1 图 5 两种开采方案的下沉曲线图 F i g ． 5 Ma p o f s u b s i d e n c e e u e s o f t wo mi n i n g s c h e me s 表 3 两个方案开采后地表移动和变形各参数的最大值 T a b l e 3 v a r i O u s p a r a me t e r s ma x i r a u m v a l u e o f s u r f a c e mo v e me n t a n d d i s t o r t i o n a f t e r t wo s c h e me s mi nin g 方 下沉 水平移动 水平变形 曲率 倾斜 i 案 W／ m m mm m m ／ m K mm ／ m m m ／ m 一 5 45． 5 1 41． 8 1 1 ． 1 3 5 0． 0 2 3 2． 8 71 二 9 5 0． 2 2 4 7． 0 5 1 ． 9 7 6 0 ． 0 4 0 5 ． O 0 1 通过两个方案的比较可以看出 方案二顺序开 采后地表移动和变形各参数的最大值都 比方案一 跳采后地表移动和变形各参数的最大值都大。主 要是采用跳采开采 2 4 6 0 7工作面开采 以后 ， 下一个 开采工作面为 2 4 6 1 1 工作面， 2 4 6 0 9工作面跳过不 采 。类似于大采宽条带开采。 采用跳采开采时 ， 倾斜值为 2 ． 8 7 1 mr n ／ m， 参照 砖石结构建筑物的破坏 保护 等级 ， 开 采后建 筑物的破坏等级为 I 级 ； 主要是 由于 2 4 6 0 7工作 面 和 2 4 6 1 1工作面开采后造成地表倾 向变形 值相互 抵消所致。采用顺序开采时 ， 倾斜值为 5 ． 0 0 1 m m ／ m， 开采后建筑物的破坏等级为 Ⅱ级。因此 ， 根据 地表倾斜变形值分析， 跳采方式要优于顺序开采 。 综合下沉值 、 水平移动、 水平变形 、 曲率的最大 值分析， 开采后建筑物的破坏等级为 I级， 建筑物 为轻微损坏 ， 对建筑物的影响不大 ， 所 以综合 以上 分析 ， 跳采方式要优于顺序开采。 图 6 顺 序开采垂直应力等值线图 F i g ． 6 T h e v e r t i c a l s t r e s s i s o g r a m o f s u c c e s i v e mi n i n g 采用顺序开采时， 当工作面从切眼开始推进， 随着推进距离增大顶板悬露面积逐渐扩大 ， 支承应 力集 中程度和应力增高范围也逐渐增大 ， 应力增高 维普资讯 9 2 6 地 下 空 间 与 工 程 学 报 第 4卷 悖誉 翟 琶 兰 釜 _ 誊 麓 图 7 跳采垂 直应力等值线 图 F i g ． 7 T h e v e r t i c a l s t r e s s i s o g r a m o f j u mp m i n i n g 范围约 8 0 m。由于采用的是全部跨落法管理顶板 ， 上覆岩层中出现块体咬合的结构， 导致工作面前方 支承压力急剧增加， 采空区后方则将大幅度减小。 当采用跳采开采时， 应力增高范围为 5 0 m。它类 似 于大采宽条带开采， 煤柱内的应力远远小于方案二 开采 的应力。 6结论 1 根据岩层与地表移动机理， 对湖南省新生 煤矿建筑物地表移动和变形进行 了数值模拟 ， 得出 了该矿顺序时 的地表移动和变形各参数 的最大值 比跳采开采时的值要大。 2 在建筑物下的保护煤柱 内开采的工作面 ， 应保持稳定的开采速度 ， 实现连续生产 ， 避免采掘 失调 ， 尤其不能较长时间停采 ， 尽量使建筑物下面 不 出现长时间的开采边界 ， 以避免地表动态移动和 变形值 的增加 ， 以减小民房受采动过程中动态变形 的影响。 3 工作面的推进速度越大， 动态变形值就越 小。但提高工作面推进速度会造成地表下沉速度和 变形速度增加 ， 而建筑物较易适应地表的缓慢变形 ， 如变形速度很快 ， 往往也会导致建筑物的损害。因 此， 开采速度对地表移动的影响有待进一步的研究。 参考文献 [ 2 ] 周国铨 ， 崔继宪， 刘广容等． 建筑物下采煤[ M] ．北 京 煤炭工业出版社， 1 9 8 3 ． Z HO U G u o q u a n ， C U I J i x i a n， L I U Gu a n g ron g ， e t a1． Mi n i n g c o a l u n d e r t h e b u i l d i n g [ M] ． B e i j i n g C h i n a C o al I n d u s t r y P r e s s ， 1 9 8 3 ． i n C h i n e s e 冯 涛， 袁 坚， 刘金海等．建筑物下采煤技术的研究 现状与发展趋势[ J ] ．中国安全科学学报， 2 0 0 6， 1 6 8 1 1 91 2 3 ． F E N G T a o ， Y U A N J i a n ， L I U J i n h a l ， e t a1． R e s e a r c h P r o g r e s s a n d D e v e l o p me n t T r e n d o f Mi nin g T e c h n o l o g y u n d e r B u i l d i n g[ J ] ．C h i n a S a f e t y S c i e n c e J o u rnal，2 0 0 6 ， 1 6 8 1 1 91 2 3 ． i n C h i - 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