南沱河堤下采煤地表沉陷预测的数值模拟研究.pdf

第 2 8卷第2期 安徽理工大学学报 自然科学版 2 0 0 8 年 6月 J o u r n a l o f A n h u i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y N a t u r a l S c i e n c e V0 1 ． 2 8 NO ． 2 J u n ． 2 0 0 8 南沱河堤下采煤地表沉陷预测的数值模拟研究 李 敏 ， 胡 奎。 ， 陈卓求。 ， 杨 锐。 1 ．安徽理工大学地球与环境学院 ， 安徽淮南2 3 2 0 0 1 ； 2 ．皖北煤 电集 团公司 ， 安徽宿州2 3 4 0 0 0 ； 3 ．安徽省淮南市规 划设计研究院， 安徽淮南2 3 2 0 0 1 摘要 运用F L AC 。 。 软件 ， 对百善煤矿 6 1 2 3 首采工作面开采所 引起的南沱河河堤的移动与变 形 以南堤为例 进行 了模拟 ， 与实测对比分析 ， 得出 了地表移动的基本规律 和特征。模拟结果 对堤 下 采煤 具有 一定的指 导意 义 ， 为开采 沉 陷的堤坝 治理提 供 了科 学依据 。 关键词 F L A C ； 沉陷； 数值模拟 中图分类号 TD3 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 ． 1 0 9 8 2 0 0 8 0 2 0 0 0 6 ． 0 5 Nume r i c a l S i mul a t i o n Pr e d i c t i o n S t ud y o f Su r f a c e S ub s i d e n c e Ca u s e d b y Co a l M i n i n g Un d e r t h e Ba n k o f Na n t u o Ri v e r LI M i n ， HU Kui ， CHEN Zh uo q i u ， YANG Rui 。 1 ． S c h o o l o f E a r t h a n d E n v i r o n m e n t a l S c i e n c e ， A n h u i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， H u a i n a n A n h u i 2 3 2 0 0 1 ， Ch i n a ；2 ． W a n b e i C o a l a n d El e c t r i c i t y Gr o u p Co mp a n y，S u z h o u An h u i 2 3 4 0 0 0，Ch i n a；3 ． An h u i I n s t i t u t e o f La y o u t i n Hua i na n，Hua i n a n An hui 2 3 2 001，Chi n a Ab s t r a c t M o v e me n t a n d d e f o r ma t i o n o f Na n t u o Ri v e r b a n k t a k i n g t h e s o u t h b a n k a s e x a mp l e c a u s e d by t h e f i r s t m i ni n g l o ng wa l l 6 1 23 i n Ba i s ha n M i ne wa s s i mu l a t e d b y FLAC ． Comp a r i ng t he s i mul a t i o n r e s u l t s wi t h i n s i t u s u r v e y，t he b a s i c c h a r a c t e r i s t i c s a n d be h a v i o r o f t h e e a r t h’ S s ur f a c e mo v e me nt we r e e du c e d． The r e s ul t s ha v e s o me g ui d a n c e i n mi n i ng u nd e r t h e r i ve r ba n k a nd p r ov i d e s c i e n t i f i c ba s i s f o r t he r i v e r ba n k s u bs i d e nc e t r e a t me n t ． Ke y wor ds F LAC； s u b s i d e n c e ； n u me r i c a l s i mu l a t i o n 地下煤层被开采出来以后 ， 开采区域周围岩体 的原始应力平衡状态受到破坏， 应力重新分布 ， 达 到新的平衡。在此过程 中， 开采煤层的上覆岩层将 产生移动、 变形与破坏， 当开采面积达到一定范围 后， 移动与变形将波及到地表， 使地表产生沉陷[ 】 ] ， 随之 ， 沉陷区范 围内的堤坝遭到破坏 。 因此 ， 预测堤 坝受开采的影响程度 ， 并及时对受开采影响的堤坝 进行治理， 是确保河堤两岸人民生命财产安全的重 要保证 。 1 百善煤矿 6 1 2 3 工作面概况 皖北煤 电集团百善煤矿 6 1 2 3 工作面走向长约 为1 O 0 0 m， 倾向长约为1 O O m， 面积约1 1 ． 0万m。 ， 平 均采厚 3 m， 平均采深 1 5 7 ． 4 m， 平均倾角 1 O 。 。南沱 河横穿该工作面上方 ， 由西 向东穿越 ，越境长度为 7 9 0 m，两岸河堤之间平均距离为 2 0 4 m，南堤距离 开切 眼 4 0 0 m 见 图 1 。 2 数值模型的建立 2 ． 1 F L A C 。 简介 F LAC∞ Fa s t La g r a n g i a n An a l y s i s o f Co n t i n u a 是 由美国 I t a s c a公 司开发 的显式有 限差 分程 序， 能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服 收 稿 日期 2 0 0 7 1 2 - 0 5 作 者简介 李敏 1 9 8 3 一 ， 男 ， 湖北十堰人 ， 在读 硕士 ， 研究方 向为开采沉陷。 维普资讯 第 2 期 李 敏 ， 等 南 沱河 堤下采煤地表沉陷预测的数值模拟研究 7 极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为， 分析渐 进破坏和失稳 ， 特别适用于模拟大变形 引。 图 1 采区平面示意 图 2 ． 2 几何模型的建立 据南沱河堤下开采工作面巷道布置特点及地 面钻孔探测结果 ， 建立河堤 下采煤的三维模型 见 图 2 。本次模拟受开采影响 的南堤 ，以工作面倾 向为x 方向， 长度为5 0 0 m，以走 向为y方向 ， 长度 为1 O 0 0 m， 以竖直方向为z方向 ， 高度为2 1 6 ． 6 1 m。 取河堤高度4 m， 顶宽 1 0 m， 坡度 1 3 。模型尺寸为 5 0 0 m1 0 0 0 m2 1 6 ． 6 1 m， 共有 7 1 3 0 0个单元 。 图2 三维 有限差分 网格模型 为了研究和了解随工作面的推进南堤的变化 ， 在开采过程中，工作面每推进一定距离进行一次 运算 ，总计工作面推进分解成六个开采阶段， 分别 为工作面推进 位置 1 、 2 、 3 、 4 、 5 、 6 六个 阶段进行模 拟 见图1 ， 并在沿南堤纵向方向每隔2 0 m布置一 个监测 点， 点号分别为 0 ， 1 ， 2 ⋯⋯， 2 4 ， 2 5 ， 共计 2 6 个监测点以监测南堤及地表移动的演化过程 。 2 ． 3 Mo h r C o u l o mb准则及岩性参数的选取 本研究确立煤系岩体 的本构关系为 在工作面 开采前， 煤系岩体处于原岩应力状态 ； 采用近似理想 的弹塑性模型 ，破坏 准则选 用 Mo h r C o u l o mb准 则 引 ， 原理描述见图3 。用Mo h r C o u l o mb破坏准则 描绘从点A到点B破坏包络线 f 一 0 即 ， 一 ／ --- -- Ⅳ2 c √Ⅳ 用式厂 一0 张拉破坏准则描绘从点B 点到点C的包络线 { t o 3 6 t 式 中 为 摩擦 角 ，o ； C 为粘 聚 力 ， MP a ； 为张拉 强度， MP a ； 且有 Ⅳ 一 抗拉强度不超过 。 值 。最大值由下式给定 一 面 C 、 盯3 J { ， 一一 ．．． ． 一。 ≯一 一 I ．． - ． ． ． ． ． 一 f 一0 C／ ▲ ／ ／ 2 c }{ ac ＼． ， 一 图 3 Mo h r C o u l o m b准则图 数值模拟实践表明， 在计算所需的岩体物理力 学参数中， 对计算结果影响最大的是岩体的弹性模 量E， 简称为弹模。 通常情况下 ， 岩体的弹模为岩块 弹模的1 ／ 7 1 ／ z o 。本次模拟结合邻近矿井及本矿 邻近采区的岩层物理力学参数进行 类 比，获得岩 体 的物理力学参数 ， 岩体弹模取岩块弹模 的 1 ／ 1 0 倍 ， 模拟 的具体参数见表 1 L 4 ] 。 维普资讯 8 安徽理工大学学报 自然科学版 第 2 8卷 表 1 采 区上覆岩层岩性参数 2 ． 4 初始应力及边界条件 由于采区上覆岩层结构复杂 ， 使得其内部构造 应力复杂 ， 参照苏联学者尼克修改了海姆的静水压 力假设[ 5 ] ， 认为地层内各点的垂直应力等于上覆岩 层的重量 ， 而侧向应力是泊松效应的结果 ， 即 7 H ， 0 “ h一 7 H l 一 式中 为上覆岩层的泊松比； 7为上覆岩石的重力 密度 ， k g ／ m。 ； H 为单元立方体所在的深度 ， m。 模型的边界条件如下 1 模型的 ， y方向面都施加相等的等效应力 a p p l y S X X 一一 2 ． 5 e 6 g r a d 0 ， 0， 1 ． 2 5 e 4 r a n g e X 一 0 ．】O ．】 a pp l y S XX X 4 9 9 ．9 5 00 ． 1 a pp l y s yy Y 0 ．1 0 ．1 2 ． 5 e 6 g r a d 0， 0 ， 1 ． 2 5 e 4 r a n g e 一 2 ． 5 e 6 g r a d 0， 0， 1 ． 2 5 e 4 r a n g e a p p l y s y y一一 2 ． 5 e 6 g r a d 0 ， 0， 1 ． 2 5 e 4 r a n g e y 9 9 9 ．9 1 00 0 ． 1 2 模型z方 向底面固定 ， 上边界 地表 为 自 由边界。 3 数值模拟结果分析 3 ． 1 地表沉陷预测模拟结果 模拟结果如 图4 ～图 5 所示。 维普资讯 第2 期 李敏， 等 南沱河堤下采煤地表沉陷预测的数值模拟研究 9 图 4 地表下沉盆地 图 图5地表下沉等值线图 m 由图4和图5 可知 ， 当地下煤层被采出后 ， 采空 区直接顶板岩层在 自重力作用及其上覆岩层的作 用下， 产生向下的移动和弯曲。随着工作面不断 向 前推进 ， 下沉不断增加 ， 最终在地表产生一个 比开 采范围大得多的下沉盆地， 模拟的结果符合开采沉 陷的一般规律 。 3 ． 2 地表移动变形规律 3O 2O l O I 0 l 一 1 0 ‘ 一 2o 一 3O 0 ． 4 0 ． 2 0 g一0 ．2 ．一 一 0 ． 4 量 一 0 ． 6 一 0． 8 ； 1 ． 推进位置 l ； 2 ． 推进位置 2 ； 3 ． 推进位置 3 ； 4 ． 推进位置 4 ； 5 ． 推进位置 5 ； 6 ． 推进位置 6 图 7 南 堤纵 向倾斜变形 曲线图 l - ． 兰三 ‘ ⋯ 1 ． 推进位 置 1 ； 2 ． 推进位置 2 ； 3 ． 推进位置 3 ； 4 ． 推进位置 4 ； 5 ． 推进位置 5 ； 6 ． 推进位置 6 图 8 南堤纵 向曲率变形 曲线图 点号 ． 一⋯ 南堤动态移动与变形曲线如图6 ～图 1 0所示 。 1 ． 推进位置1 ； 2 推进位置2 ； 3 推进位置3 ； O O ． 5 1 ． 0 1 ． 5 芒 2． 0 2 ． 5 3 ． 0 1 ． 推进位置 l ； 2 ． 推进位置 2 ； 3 ． 推进位置 3 ； 4 ． 推进位置4 ； 5 ． 推进位置 5 ； 6 ． 推进位置6 图6 南堤下沉曲线图 点号 4 ． 推进 位置 4 ； 5 ． 推进位置 5 ； 6 ． 推进位置 6 图 9 南堤纵 向水平 移动 曲线 图 l 5 ． O 1 O． O I ． 5 ．0 E 0 口 一 5 ． 0 一 1 0． 0 一 l 5 ． 0 2O ． O ⋯。 ． 2 4 6 8 ,8 1 ． 推进位置 l ； 2 ． 推进位置 2 ； 3 ． 推进位置 3 ； 4 ． 推进位置 4 ； 5 ． 推进位置5 ； 6 ． 推进位置6 图 l 0 南堤纵 向水平变形 曲线 图 点号 点号 维普资讯 1 O 安徽 理工大 学学报 自然科 学版 第 2 8卷 从图 6 ～图 1 O中可以看 出 南堤最大下沉点在 1 3 ～1 4之间， 最大下沉值为 2 ． 9 9 8 m， 影响范围的 点号为 4 ～2 4 。 1 当工作面推进到位置 1 、 2 距离堤坝 3 5 0 m 和 2 0 0 m ， 下沉量和水平方向移动变形量都较小 ， 可以认为堤坝基本不受煤层开采的影响 ； 2 当工作面推进到位置 3 南堤北侧 1 0 0 m ， 堤坝产生了移动变形 ， 下沉量和水平移动量逐渐增 大。 在2 ～8和1 7 ～2 3点之间出现水平拉伸变形 ， 最 大值为3 ． 1 mm／ m， 此时坝的两端有细小裂缝出现； 3 当工作面推进到位置 4 、 5 ， 此时下沉量急 剧增加 ， 特别是水平变形值增加最快。水平拉伸变 形 出现在2 ～8和 1 7 ～2 3点之间， 最大水平拉伸变 形值为l 1 ． 8 mm／ m， 此时坝的两端裂缝宽度增加最 快 ， 坝 的中间部位 无裂缝 ； 4 当工作面从河堤下穿过后推进到位置6 ， 堤坝 位于下沉盆地的中心区域， 移动与变形量趋于稳定。 由此可见， 随着工作面的不断推进 ， 堤坝受采 动影响是一个初始影响一影响剧烈一影响稳定的 发展变化过程 。 4 与实测结果对 比分析 南 沱河南堤实测监测点最大下沉点为 1 4号 点 ， 最大下沉值为 3 ． 2 0 3 m。数值模拟结果与其相 比， 下沉值最大差为2 0 5 mm， 为下沉值的6 ． 4 。 两 者之 间产 生差异 的主要 原因是 1 模 型建 立 的 准 确 度 由于 上 履 岩 层 比较 复杂， 钻探剖面线不可能完整准确的显示该矿区的 岩层构造 ， 其它地质条件如节理 、 裂隙以及断层 ， 对 模型建立都有很大的影响； 2 岩性参数 的选取数值模拟最主要的就 是岩性参数 ， 室 内试验岩性参数与实际有变化所 致， 其符合度决定模拟的准确度； 数值模拟结果与南堤实测下沉基本相似， 见图l 1 。 图1 1 南堤下沉实测图 5 结论 1 用F L AC数值模拟方法进行沉陷预计， 克 服了概率积分法注重表相的弱点 F L AC数值模拟 参数越准确越能反应原型的客观条件 ， 就越能准确 地预计开采引起的地表变形 ， 所以对原型的考察、 研究和合理的简化是十分重要和必要的。 2 工作面的推进对南堤的影响是一个 发展 变化的过程 ， 呈现出较为明显的阶段性 。 开采初期 ， 由于非充分采动和不均匀下沉的影响， 工作面前后 煤体及采空区上方地表都将间断发育有微小裂缝 ， 特别是当工作面接近堤坝及穿越堤坝时， 堤坝的微 小裂缝发育会达到最高峰 ； 当工作面推过堤坝后， 采空区上方地表水平变形逐渐趋于稳定。 3 F L AC数值模拟基本体现 了南堤地表动 态的演化过程， 能反映 出地表的移动与变形 的规 律 。 与实测值相比， 还有一定的差距 ， 原因除了模型 建立的准确度和岩性参数外 ， 孔隙水渗透也有很大 影响 。 参考文献 [ 1 ] 何国清． 矿山开采沉陷学[ M] ． 徐州 中国矿业大学出 版社 ， 1 9 9 1 5 7 6 0 ． E 2 3 尹尚先， 汪益敏． 采矿工作面推进的F L AC数值模拟 D] ． 华南 理工大学 学报 自然科学 版 ， 2 0 0 3 ， 3 1 1 1 24 1 26 ． [ - 3 3 刘波． F L AC原理 、 事例 与应用 指南I - M] ． 北 京 人 民 交通 出版社 ， 2 0 0 5 1 9 - 2 0 ． [ 4 ] 高明中， 余忠林． 煤矿开采沉陷预测的数值模拟[ J ] ． 安徽理 工大学 学报 ， 2 0 0 3 ， 2 3 1 1 - 1 7 ． [ 5 3 蔡美峰． 岩石力学与工程 [ M] ． 北京 科学 出版社， 2 0 0 2 1 2 9 1 3 2 ． 责任 编辑 宋晓梅 维普资讯