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第 26 卷 第 3 期 2015 年 9 月 中国地质灾害与防治学报 The Chinese Journal of Geological Hazard and Control Vol． 26 No． 3 Sep． 2015 DOI 10. 16031/j. cnki． issn． 1003- 8035． 2015. 03. 17 构造介质对采煤沉陷影响的数值模拟分析 李祥， 李成伟， 张舜尧 西安地质矿产勘查开发院， 陕西 西安710100 摘要本文采用数值模拟试验， 针对不同构造介质条件下， 地下采空对上覆岩层的损坏程度进行模拟研究。试验结果表 明， 介质越坚硬， 地下开采对地表损害的程度就越小， 煤柱所受的压应力就越大， 采空区直长边所受的拉应力越大; 介质 越软弱， 地下开采对地表损害的程度就越大， 煤柱所受的压应力就越小， 采空区直长边所受的拉应力越小。此结论对于 采煤沉陷的预测及矿山地质灾害的防治， 将具有一定的理论价值和指导意义。 关键词构造介质; 采煤沉陷; 数值模拟; 应力应变 中图分类号TD327文献标识码A 文章编号 1003- 8035 2015 03- 0091- 04 收稿日期 2014- 09- 11;修订日期 2014- 10- 10 基金项目基于构造控灾机理的采煤沉陷预警基础研究 41272388 第一作者李祥 1987- ， 男， 陕西西安人， 硕士， 地质工程专业， 地质灾害评价与灾害防治。E- mail 284344675 qq． com Analysis of medium hardness on mining subsidence based on numerical simulation LI Xiang，LI Chengwei，ZHANG Shunyao Xi’ an Geology and Mineral Exploration and Development Institute， Xi’ an， Shaanxi710100， China Abstract This paper applies numerical simulation test，According to the different tectonic conditions，the extent of damage of underground space of overlying strata simulation research． The test results show that the structure of medium，the more hard，degree of underground mining on the surface damage of more small coal pillar，the compressive stress of mined out area is greater， the long side of the tensile stress is larger; the more weak structural medium，degree of underground mining on the surface damage is bigger，the coal pillar the compressive stress of mined out area is smaller，the long side of the tensile stress is small． This conclusion has a certain theoretical guidance meaning for the prevention and control of coal mining subsidence in the occurrence and development regularity and mine geological disasters． Keywords structural medium;mining subsidence;numerical simulation;stress and strain 0引言 采动引起的地表变形破坏取决于多种地质因素 的综合影响， 只有正确认识和掌握这些因素的影响， 才能进行有效合理的采煤沉陷预计， 这已成为大家 的共识。本文针对构造介质单因素的基础性研究， 初步探讨地下采空对上覆岩体的影响， 为后续进行 构造环境与采煤沉陷综合影响研究提供理论基础。 构造介质是具有“构造记忆” 的构造岩体， 它既是构 造作用的客体或对象， 同时也是构造应力传递的媒 介［1］。在工作面放顶后， 不同类型的构造介质所表 现的损害程度是不一样的。为了研究构造介质对采 煤沉陷的影响程度， 本次以层状连续型构造介质为 研究对象， 借助于计算机数值试验， 针对不同力学性 质的覆岩进行采煤沉陷的控制机理研究， 揭示不同 构造介质条件下采空区上覆岩体的变形与破坏。本 文应用 ANSYS- FLAC3D软件进行数值试验时， 首先将 开采煤层的底板、 煤层及其上覆岩层剖面按实际比 92李祥， 等 构造介质对采煤沉陷影响的数值模拟分析2015 年 例划分为网格单元［2］， 通过给不同的岩层和煤层赋 予不同的材料力学性质参数， 模拟不同类型构造介 质在地下开采过程中的变形破坏。 1岩石普氏硬度与覆岩的类型划分 在岩土工程设计手册和工程标准定额及概预算 中， 大多数沿用普氏系数 F 表示岩石的类别， 该方法 是前苏联 M． M． 普罗多吉亚柯诺夫于 1926 年提出的 普氏分类法 ［3 ］， 该分类法以岩体的单轴抗压强度为分 类依据， 其中 q Ｒ压/1000 式中 q 普氏系数， 又称为岩石硬度系数; Ｒ压 岩石的单轴抗压强度/ N cm －2 。 以普氏岩石硬度系数为依据， 定义覆岩综合普氏 硬度如下 Q ∑ n 1miqi ∑ n 1mi 式中 Q 覆岩综合普氏硬度; mi 覆岩 i 分层的法线厚度/m; qi 覆岩 i 分层的岩性评价系数， 或称为岩石 的硬度系数; n 覆岩分层数。 参照国家煤炭工业局建筑物、 水体、 铁路及主要 巷道煤柱留设与压煤开采规范 ［4 ］， 根据覆岩的综合 普氏硬度， 将覆岩划分为坚硬 Q≥6 、 中硬 6 ＞ Q ＞ 3 、 软弱 Q≤3 三种类型。本次模拟实验将构造介质 按覆岩的综合普氏硬度将岩土体划分为三类， 即软弱 造介质类、 中硬介质类以及坚硬介质类， 进行模拟对比 研究。在此基础上， 针对构造介质对采煤沉陷的影响 度进行分析。 2计算模型及模型参数 计算模型长 300 m， 宽 300 m， 高 118 m， 分为六 层， 底板岩性设计为砂岩， 采空区长度为 100 m， 采厚 为 8 m， 宽度为 40 m， 开采深度为 70 m， 对模型底部、 左右侧和前后两侧分别设置了固定边界条件。坚硬构 造介质模型 M1 －1 、 中硬构造介质模型 M1 － 2 及 软弱构造介质模型 M1 －3 的材料参数 表 1 。限于 篇幅， 本文仅给出坚硬介质模型的计算过程。 表 1计算模型及其材料参数一览表 Table 1The material parameter list of the model structural medium 模型 岩性 岩性 厚度容重体积模量切变模量抗拉强度粘聚力内摩擦角 H/m/ kg m－3G/PaG/PaT/PaC/PaF/ 普氏 系数 综合普 氏系数 砂岩3024003. 10E 092. 83E 092. 25E 063. 07E 06418. 5 粉砂岩3022002. 34E 091. 91E 093. 20E 063. 67E 06386. 5 M1 －1 型 泥岩1020001. 39E 091. 04E 092. 30E 052. 21E 06303 6. 70 坚硬煤 813001. 33E 098. 00E 081. 34E 052. 02E 06323. 2 泥岩1020001. 39E 091. 04E 092. 30E 052. 21E 06303 砂岩3024003. 10E 092. 83E 092. 25E 063. 07E 06418. 5 砂岩3024001. 90E 091. 74E 092. 01E 062. 72E 06385. 6 粉砂岩3022001. 98E 091. 61E 092. 50E 063. 12E 06354. 4 M1 －2 型 泥岩1020001. 11E 098. 33E 081. 74E 051. 85E 06283 4. 41 中硬煤 813009. 67E 085. 80E 081. 26E 051. 35E 06302 泥岩1020001. 11E 098. 33E 081. 74E 051. 85E 06283 砂岩3024001. 90E 091. 74E 092. 01E 062. 72E 06385. 6 砂岩3024001. 44E 101. 03E 102. 31E 069. 89E 05352. 5 粉砂岩3022001. 28E 108. 06E 091. 85E 061. 18E 06322 M1 －3 型 泥岩1020001. 04E 105. 95E 092. 60E 067. 12E 05251. 5 2. 10 软弱煤 813009. 09E 094. 69E 091. 97E 066. 52E 05281. 8 泥岩1020001. 04E 105. 95E 092. 60E 067. 12E 05251. 5 砂岩3024001. 44E 101. 03E 102. 31E 069. 89E 05352. 5 2. 1坚硬介质模型 计算结果如图 1 ～ 图 4 所示， 由位移等值线分布 图可知， 地表下沉不明显， 采空区直接顶 泥岩层 发 生垮塌， 老顶 砂岩、 粉砂岩层 弯曲变形量较小， 底板 出现底鼓现象; 采空区顶板的垮塌范围呈三角形向外 扩展， 中部垮塌集中， 向两侧逐渐减少; 地表盆地的下 沉较为平缓， 中部最大， 向外逐渐变小。由应力分布图 可知， 采空区两端出现了应力集中， 顶板出现拉应力， 而底板出现压应力。 2. 2中硬介质模型 由位移等值线分布图可知， 地表下沉位移较为明 显; 工作面放顶后直接顶发生冒落， 冒落发育较充分， 第 3 期中国地质灾害与防治学报93 而老顶均为中硬岩， 其自身起到板梁的作用， 故地表沉 降不大。由应力分布图知， 由于采空区上部中硬介质 的悬顶量较坚硬介质的悬顶量小， 故在采空区两端中 硬介质所受到的压应力小于坚硬介质所受到的压应 力， 直接顶的拉应力在增大， 直接底的压应力在减小; 由于采空区上部中硬岩体的垮塌， 边缘区内变形带和 裂隙带所受到的压应力进一步减小， 而边缘区以外的 拉应力却增大了。 图 1下沉等值线分布图 Fig． 1Settlement isoline distribution map 图 2竖向应力分布图 Fig． 2Vertical stress distribution diagram 图 3最大主应力分布图 Fig． 3The maximum principal stress distribution map 图 4最小主应力分布图 Fig． 4The minimum principal stress distribution map 2. 3软弱介质模型 由位移等值线分布图可知， 上覆岩土层冒落充分， 地表下沉明显。由应力分布图知， 由于采空区上部软 弱介质的悬顶量较中硬介质的悬顶量更小， 故在采空 区两端软弱介质所受到的压应力小于中硬介质所受到 的压应力， 直接顶的拉应力进一步增大， 直接底的压应 力也在逐渐减小; 边缘区内压应力继续减小， 而边缘区 以外的拉应力却继续增大。 3数值模拟结果分析 3. 1位移量对比分析 由位移等值线分布图可知， 最大下沉值位于采空 区中央之上方， 自盆地中心至盆地边缘下沉值逐渐减 小， 在盆地边界点处下沉值趋于零; 地表下沉量随着构 造介质综合普氏系数的减小， 采空区顶板发生垮塌的 范围会扩大， 底鼓的现象也会更加明显， 地表下沉量也 将同时增大， 地表下沉量 ZDISP坚硬 ＜ ZDISP中硬 ＜ ZDISP 软弱 图 5 。 图 5地表下沉量对比图 Fig． 5Surface subsidence comparison chart 94李祥， 等 构造介质对采煤沉陷影响的数值模拟分析2015 年 1 构造介质为坚硬岩层 综合普氏系数大于 6 时， 工作面放顶后地表下沉不明显， 这是由于在一定的 范围内， 坚硬介质能够承受更大的极限强度， 岩体只发 生弹性变形而无塑性流动， 岩体没有破坏或松动， 因此 上覆岩层冒落发展到该坚硬岩层时会形成悬顶， 坚硬 岩体起到梁板作用， 不发生冒落， 弯曲现象， 地表产生 缓慢的连续变形; 2 构造介质为中硬岩层 综合普氏系数大于 3 且小于 6 时 ， 工作面放顶后地表下沉介于坚硬岩层 与软弱岩层之间， 这是由于采空区围岩变形较大， 存在 弹性变形和塑性变形， 或有少量岩石破碎作用， 加之围 岩应力重分布需要一定时间， 因此， 上覆岩层冒落发展 到该中硬岩层时会形成一定范围的悬顶和离层裂缝， 各分层即开始沿岩层层面的法线方向， 向采空区依次 弯曲， 中硬岩层将产生拱冒变形; 3 构造介质为软弱岩层 综合普氏系数小于 3 时， 工作面放顶后地表下沉较为明显， 这是由于软弱岩 体的结构面极为发育、 极限强度很低， 开挖过程或开挖 结束后， 重新分布的应力很容易超过岩体强度而引起 围岩的破坏、 松动与塌落。因此， 上覆岩层冒落发展到 该软弱岩层时， 不会形成悬顶和离层裂缝， 易于弯曲下 沉， 地表可能会产生抽冒现象， 形成漏斗型塌陷坑。 3. 2应力对比分析 采空区两端随着介质综合普氏系数的增大， 采空 区上覆岩层的稳定性就越好， 垮塌量就越少， 悬空量也 就越多， 煤柱承受的压力也就越大， 发生片帮的可能性 也就越大， 采空区两端垂直应力对比 Szz 坚硬 ＞ Szz 中硬 ＞ Szz 软弱 ， 图 6 。 图 6垂直应力 44 m 对比图 Fig． 6The vertical stress comparison chart 44 m 由应力分布图可知， 采空区拐点地方出现了较大 的应力集中， 顶板出现拉应力， 而底板出现压应力， 而 这些附加应力的出现， 会造成采空区围岩破坏的加剧， 进一步降低采空区围岩的稳定性。 地表移动盆地的中间区域， 下沉值达到最大， 应力 近乎为零， 一般不出现明显的横向裂缝; 地表移动盆地 的内边缘区， 地表下沉值不等， 各点向盆地中心方向移 动， 呈凹形， 产生压缩变形， 一般不出现拉张裂缝; 地表 移动盆地的外边缘区， 地表下沉不均匀， 各点向盆地中 心方向移动， 呈凸形， 产生拉伸变形， 地表产生拉张裂 缝; 随着构造介质综合普氏系数的减小， 中间区增大， 拉伸区减小， 压缩区增大。 4结论 1 采空区上覆岩层的综合硬度， 是影响构造介 质力学性质的重要因素。 2 构造介质越坚硬， 地表下沉量就越小， 边缘区 就越平缓， 采空区拐角的应力就越集中， 拐点偏移距也 相对较大。 3 构造介质越软弱， 地表下沉量就越大， 边缘区 就越陡立， 采空区拐角的应力就越集中， 拐点偏移距也 相对较小。 参考文献 ［1］ 夏玉成． 构造环境对煤矿区采动损害的控制机理研 究［ D］ ． 西安 西安科技大学， 2003． XIA Yucheng． Study of control mechanism of tectonic settings on environment hazards related to Coal- mining ［D］ ．Xi an Xi an University of Science and Technology， 2003． ［2］ 徐涛， 唐春安， 王述红， 等． 岩石破裂过程围压效应的 数值试验 ［ J］ ． 中南大学学报， 2004， 35 5 840 －844． XIU Tao， TANG Chunan， WANG Shuhong，et al． Numerical tests on confining pressure effect in rock failure process ［J］ ．JournalofCentralSouth University of Technology， 2004， 35 5 840 －844． ［3］ 张咸恭， 王思敬， 张倬元， 等． 中国工程地质学［ M］ ． 北京 科学出版社， 2000． ZHANG Xiangong， WANG Sijing， ZHANG ZhuoYuan， et al．Engineering geology Chinese ［M］ ． Beijing Science Press， 2000． ［4］ 国家煤炭工业局． 建筑物、 水体、 铁路及主要井巷煤 柱留设与压煤开采规范［M］ ． 北京 煤炭工业出版 社， 2000． State Bureau of Coal Industry．Buildings，water， railway and coal pillar design specification and the pressure of coal mining ［M］ ． BeijingChina Coal Industry Publishing House， 2000．