基于岩层移动理论的急倾斜煤层采后地表移动变形规律研究.pdf

Series No.566August 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第566 期2023 年第 8 期收稿日期 2022-08-17基金项目 内蒙古高等学校科学研究重点项目(编号:NJZZ20300);内蒙古自治区科技计划项目(编号:2021GG0296);内蒙古自治区自然科学基金项目(编号:2021SHR0761);呼伦贝尔学院科学研究项目(编号:2019BS06,2020ZKPT02)。作者简介 郭文彬(1982),男,教授,博士。基于岩层移动理论的急倾斜煤层采后地表移动变形规律研究郭文彬1,2(1.呼伦贝尔学院工程技术学院,内蒙古 呼伦贝尔 021008;2.内蒙古自治区高校矿产资源安全开采与综合利用工程研究中心,内蒙古 呼伦贝尔 021008)摘 要 为了探究急倾斜煤层开采对地表沉陷的影响,以及进一步保护地表构(建)筑物,采用理论分析和数值模拟计算方法对急倾斜煤层开采后地表沉陷规律进行了系统研究。利用新修正后的概率积分法进行开采区域二重积分,得到了急倾斜煤层采空区上方地表沉陷的理论计算公式,对急倾斜煤层倾角及埋深对地表沉陷影响进行了分析,同时通过 FLAC 软件对急倾斜煤层上覆岩层的运移规律进行了数值模拟分析。结果表明:对于急倾斜煤层,当倾角相对较小时,地表最大沉降量较大,且地表下沉曲线呈现非对称特性,随着煤层倾角增大,地表最大下沉量逐渐减小,下沉曲线由非对称性逐渐向对称性转化,当倾角为 90时,下沉曲线完全对称。当急倾斜煤层采深较小时,地表最大沉降值较大,但影响范围较小。随着煤层采深增大,地表沉降值逐渐减小,但影响范围增大。关键词 开采沉陷 概率积分法 覆岩移动 数值模拟 中图分类号TD325 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-08-231-06DOI 10.19614/ki.jsks.202308029Study on the Post-mining Surface Movement and Deformation Regularity of Steep Coal Seam Based on Rock Movement TheoryGUO Wenbin1,2(1.College of Engineering and Technology,Hulunbuir University,Hulunbuir 021008,China;2.Engineering Research Center for the Safe Exploitation and Comprehensive Utilization of Mineral Resources at Universities of Inner Mongolia Autonomous Region,Hulunbuir 021008,China)Abstract In order to explore the influence of steep coal seam mining on the surface subsidence and further protect the surface structures(buildings),the surface subsidence law after steep coal seam mining is systematically studied by theoretical analysis and numerical simulation.Using the probability integral method to carry out the double integral of the mining area,the theoretical calculation formula of the surface subsidence above the goaf of the steeply inclined coal seam is obtained.The nu-merical simulation of steeply inclined coal seams is carried out by FLAC software,and the theoretical calculation results are verified.The study results show that:For steeply inclined coal seams,when the inclination angle is relatively small,the max-imum surface subsidence is large,and the surface subsidence curve presents asymmetric characteristics.With the increase of the coal seam inclination angle,the maximum surface subsidence gradually decreases,and the subsidence curve gradually chan-ges from asymmetry to symmetry,When the dip angle is 90,the sinking curve is completely symmetrical.When the mining depth of steeply inclined coal seam is small,the maximum settlement value of the ground surface is large,but the influence range is small.With the increase of mining depth,the surface subsidence value decreases gradually,but the influence range in-creases.Keywords mining subsidence,probability integral method,overburden movement,numerical simulation 煤层在经历大量地质作用后,部分煤层地质情况较为复杂,出现了一定比例的急倾斜煤层。目前,有大量煤矿都进行了急倾斜煤层开采。在漫长的地质作用下,煤层内部逐渐达到了一定的应力平衡,一旦132煤层被开采后,围压应力将重新调整,达到新的平衡。在此过程中岩层将发生一定量的移动与变形,逐渐延伸至地表形成地表沉陷或地表塌陷1-3。地表移动变形不可避免地会影响上方建筑物和自然环境,影响矿区安全生产4。因此,研究急倾斜煤层开采后地表移动变形规律,可以为矿山开采设计提供可靠依据5-7。目前,许多学者对急倾斜煤层采后地表移动变形规律进行了研究,取得了一定的进展8-10。韩光等11使用基于颗粒流的 PFC3D软件,分析了特殊情况下开采急倾斜煤层对周围岩体的影响,模拟了开采过程,并讨论了开采后地表移动的有关规律。赵博等12基于 Matlab 编程语言,研究了急倾斜煤层开采对地表移动变形的影响,借用皮尔森公式法与山区地表移动预计模型,开发了具有一定参考价值的开采沉陷预计系统。郭延辉等13基于 3DEC 离散单元法,对构造应力下矿体倾角对急倾斜矿体开采岩石移动规律的影响进行了研究,分析了开采引起的地表与围岩移动变形规律。宋子岭等14为解决某矿一煤层在建筑物下采煤引起地表变形移动的相关问题,采用斜切分层倾斜分带的充填采煤法,借助 FLAC3D软件,建立了地表移动规律分析的相关模型。张海洋等15集合数值模拟计算、基于概率积分法和 Konthe 时间函数的动态预计方法,研究了大倾角煤层开采的地表沉陷及岩层运移特征。苏仲杰等16以急倾斜多厚煤层开采为例,建立了相似材料模型分析了急倾斜煤层开采沉陷对应的地表移动变形规律,以及覆岩移动变形规律。韩智勇等17结合 FLAC 有限元分析软件,设计了正交试验方案并分析了开采深度、矿体倾角、矿体厚度等因素对急倾斜厚矿体地表移动的影响规律。宋旻等18运用有限差分法和 FLAC 软件进行模拟,研究了不同埋深下急倾斜矿体开采后的岩层运移规律。本研究在上述成果的基础上,对目前常用的地表沉陷方法 概率积分法进行修正,利用二重积分法,提出适用于急倾斜情况下的计算方法。从煤层倾角和埋藏深度两个角度对急倾斜煤层的沉降规律进行分析,同时利用 FLAC 软件对采空区上覆岩层移动规律进行研究。1 急倾斜煤层地表移动的概率积分方法急倾斜煤层被采出后,上覆岩层将形成一个楔形的破坏区域,引起岩层滑移,最终传导至地表形成地表盆地。现阶段,概率积分法是地表沉陷计算分析的常用方法,首先将开采区域离散为多个微小单元,地表沉陷区域则是所有开采单元对地表影响的总和,在此基础上采用积分方法直接进行求解。任意单元开采后引起的地表沉陷如图 1 所示。在垂直断面上开采区域为 ds1(宽高)的无限长区域,最终地表形成的下沉盆地表达式为We()=1re-2r2,(1)式中,We为单元开采引起的地表沉陷量,m;为与开采单元中心的水平距离,m;r 为影响半径,可进行如下计算:r=htan,(2)式中,h 为开采深度,m;为主要影响角,()。图 1 任意单元开采后引起的地表沉陷Fig.1 Surface subsidence caused by mining of any unit对于急倾斜煤层,可以将区域按照煤层赋存区域离散后进行求和计算得到(图 2)。在急倾斜情况下,地表形成的倾斜盆地 W 可表示为W=x2x1y2y11r(y)e-(-x)2r(y)2dxdy,(3)式中,x1,x2分别为倾斜煤层的两个边界,假设 x1小于 x2,因此可以认为 x1为倾斜煤层 X 坐标最小值,m;x2为倾斜煤层 X 坐标最大值,m;y1为下边界,y2为上边界。y1表达式为y1=tanx+h0,(4)式中,为煤层倾角,();h0为下边界截距,与坐标系的设置有关,m。图 2 倾斜煤层地表沉陷离散方法Fig.2 Discrete method for surface subsidence of inclined coal seam确定 y1后,可得 y2的表达式为y2=tanx+h0-mcos,(5)式中,m 为煤层厚度,m。232总第 566 期 金 属 矿 山 2023 年第 8 期沿着煤层倾斜方向,地表倾角 i x()可以通过对地表沉降曲线求一阶导数获得,即i x()=Wx,(6)地表曲率 K x()则通过对地表下沉曲线求二阶偏导得到,公式为K x()=2Wx2.(7)沿着煤层走向方向的水平移动量 U(x)可以通过积分获得:U(x)=bx2x1y2y11r(y)e-(-x)2r(y)2dxdy,(8)式中,b 为水平移动系数。2 煤层倾角和埋深对地表沉陷的影响2.1 煤层倾角对地表沉陷的影响急倾斜煤层工作面开采工况如图 3 所示,假设煤层中心位置距离地表 H=300 m,煤层厚度为 D=5 m,倾斜长度为 L=200 m,煤层开采后的影响角正切值tan=1.35,水平移动系数为 0.23。分别取煤层倾角 为 50、60、70、80、90,对不同倾角引起的地表下沉曲线进行计算,计算结果如图 4 所示。图 3 工作面开采示意Fig.3 Schematic of the mining of working图 4 不同煤层倾角对应的地表下沉曲线Fig.4 Surface subsidence curves corresponding to different coal seam dip angles由图 4 可知:(1)在最大下沉量方面,当倾角为 50时,最大下沉量为 2.17 m,倾角为60、70、80、90对应的最大下沉量分别为 1.76、1.24、0.65、0.32 m。进一步分析发现,随着煤层倾角增大,地表最大下沉量逐渐减小。(2)由曲线的对称性可知,当倾角为 50时,偏心值(地表下沉峰值位置偏离开采中心的距离)为 18 m,当倾角为 60、70、80、90对应的偏心值分别为16、12、7、0 m。偏心值越小说明下沉曲线越趋近于对称,当开采倾角为 90时,偏心值为 0,说明此时地表下沉曲线为完全对称曲线。由计算结果可知:随着煤层倾角增大,地表下沉曲线由非对称曲线逐渐转化为对称曲线,当倾角为 90时,下沉曲线完全对称。2.2 煤层深度对地表沉陷的影响为进一步探究开采深度对地表沉降规律的影响,仍采用 1.2 节的工作面基本工况,此时假定煤层倾角=50为固定值,设定煤层采深 H 为多个不同水平,分别为 200、300、400、500、600 m。利用概率积分法计算得到地表的下沉曲线如图 5 所示。图 5 不同开采深度对应的下沉曲线Fig.5 Subsidence curves corresponding to different mining depths由图 5 可知:(1)当开采深度不同时,地表沉降量存在明显的差异。当采深为 200 m 时,沉降量最大,达到 3.02 m,当采深分别为 300、400、500、600 m 时,最大下沉量分别为 2.17、1.67、1.35、1.14 m。由此可知:随着开采深度增加,急倾斜煤层开采所产生的地表沉降量逐渐减小。(2)当开采深度不同时,地表沉降影响范围不同。当采深为 200 m 时,地表影响范围为 536 m,当采深分别为 300、400、500、600 m 时,对应的地表影响范围分别为 686、780、858、921 m,反映出随着采深增大,地表影响范围增大。(3)当开采深度不同时,对应的偏心距不同。即地表下沉曲线所表现出的对称性存在差异。当采深为 200 m 时,偏心距最大,达到 25 m;当采深分别为300、400、500、600 m 时,对应的偏心距为 16、12、10、8 m,反映出随着开采深度增加,下沉曲线由非对称性逐渐转化为对称性曲线。3 数值模拟分析3.1 数值模拟方案在上述分析的基础上,本研究进一步采用 FLAC数值模拟软件对急倾斜煤层进行数值模拟。在数值模拟过程中,通常采用 35 倍的模拟范围。数值模332 郭文彬:基于岩层移动理论的急倾斜煤层采后地表移动变形规律研究 2023 年第 8 期拟仍然采用图 3 开采工况,构建模型尺寸为 600 m600 m(长高),采用平面应变问题,在工作面深度方向固定其位移。数值模拟网格共建立 90 000 个单元、90 601 个节点。边界条件为:底部固定垂直位移,左右两侧固定水平位移,顶部自地表一直延伸到煤层底板,因此无需施加荷载,仅依靠自重产生荷载。3.2 煤层倾角对采空区上方围岩移动分析取不同煤层倾角条件下,采空区上方围压的位移云图进行分析。煤层倾角为 50、60、70、80、90对应的采空区上方围岩位移云图如图 6 所示。图 6 不同倾角对应的上覆围岩移动云图Fig.6 Displacement nephograph of overlying surrounding rock corresponding to different inclination angles 由图 6 可知:与近水平煤层围岩运动规律相比,急倾斜煤层的覆岩运动不仅产生了垂直位移,而且水平位移同样占据了较大比例,随着倾角增大,水平位移量逐渐大于垂直位移量;随着倾角增大,急倾斜煤层采空区上方顶板位移量逐渐减小,而对应的底板位移量逐渐增大,顶底板下沉规律从顶板下沉量占优势的非对称形态,逐渐转化为顶底板相同的对称形态;随着倾角增大,底板岩石发生底鼓的变形量增加,由于煤层倾角大于岩石的自然安息角,因此在回采过程中应同时考虑顶底板破碎岩块对工作面安全方面的影响。3.3 煤层开采深度对采空区上方围岩移动分析在煤层倾角一定的情况下,讨论不同开采深度对上方围岩的影响。煤层倾角为 50,并且开采深度分别为 200、300、400、500、600 m 时,采空区上方岩层移动规律的数值模拟结果如图 7 所示。图 7 不同开采深度上覆围岩移动云图Fig.7 Displacement nephograph of overlying surrounding rock at different mining depths 由图 7 可知:随着采深增大,地表下沉波及范围逐渐增大;当采深较小时,顶板岩层移动能够延伸至432总第 566 期 金 属 矿 山 2023 年第 8 期地表,沉陷区域分布集中;随着采深增大,顶板岩层移动难以延伸至地表,形成椭圆形变形区域,所影响的沉陷区增大。4 结 论(1)对于急倾斜煤层,当倾角相对较小时,地表最大沉降量较大,且地表下沉曲线呈现非对称特性,随着煤层倾角增大,地表最大下沉量逐渐减小,下沉曲线由非对称性逐渐向对称性转化,当煤层倾角为90时,下沉曲线完全对称。(2)当急倾斜煤层采深较小时,地表最大沉降值较大,随着采深增大,地表沉降逐渐减小。当煤层倾角为 90时,地表下沉值最小。(3)急倾斜煤层地表影响范围受到采深影响,相同倾角情况下,采深越大,其下沉量越小,但其沉陷影响范围越大。采深较小时,下沉量越大,但影响范围相对集中。参 考 文 献1 黄平路,陈从新.厚覆盖层矿山地下开采地表塌陷机制分析J.岩土力学,2010,31(S1):357-362.HUANG Pinglu,CHEN Congxin.Analysis of mechanism of surface subsidence caused by underground mining with thick overburdenJ.Rock and Soil Mechanics,2010,31(S1):357-362.2 黄启云,朱川曲,李青锋,等.山脚树矿浅表岩溶塌陷诱因及机理分析J.湖南科技大学学报(自然科学版),2021,36(3):1-8.HUANG Qiyun,ZHU Chuanqu,LI Qingfeng,et al.Inducement and mechanism of karst collapse of shallow strata at Shanjiaoshu MineJ.Journal of Hunan University of Science and Technology(Natu-ral Science Edition),2021,36(3):1-8.3 朱庆伟,刘鹏.倾斜煤层开采地表沉陷规律模拟分析J.煤矿安全,2018,49(8):218-221.ZHU Qingwei,LIU Peng.Simulation analysis of surface subsidence of inclined coal seam miningJ.Safety in Coal Mines,2018,49(8):218-221.4 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