资源描述：
★煤炭科技开拓与开采★ 覆岩岩土比对开采沉陷的影响分析与数值模拟＊ 宋世杰１ 赵晓光１ 王双明１， ２ 张 勇１，３ （ １． 西安科技大学地质与环境学院，陕西省西安市，７ １ ０ ０ ５ ４； ２． 陕西省地质调查院，陕西省西安市，７ １ ０ ０ ６ ５； ３． 陕西省水利厅，陕西省西安市，７ １ ０ ０ ０ ４） ＊基金项目国家自然科学基金项目 （４ １ ４ ０ ２ ３ ０ ８） ，陕 西省软科学基金项目 （２ ０ １ １ Ｋ ＲＭ ０ ９） ，陕西省教育厅科研 计划项 目 （１ ４ Ｊ Ｋ １ ４ ６ ６） ，西 安 科 技 大 学 博 士 启 动 金 项 目 （２ ０ １ ４ Ｑ Ｄ Ｊ ０ ０ ６） ，西安科技大学培育基金项目 （２ ０ １ ３ ０ ８）资 助 摘 要 以榆神矿区小保当井田２ －２煤层覆岩为地质原型，基于区域地质条件和３个代 表性钻孔构建了３ ０个不同岩土比类型的数值模型，运用数值模拟试验的方法研究在地质条 件和开采工艺相同的情况下，覆岩岩土比对开采沉陷的影响规律。研究结果表明在２ ５ ０ｍ 和３ ０ ０ｍ 埋深水平下，下沉系数都会随着岩土比的增大而减小；在３ ５ ０ｍ 埋深水平下，下 沉系数整体上呈现随岩土比增大而变小的趋势 （ 岩土比为２∶１的点除外） 。针对３种不同埋 深水平建立了岩土比与下沉系数的量化关系；在不同的埋深水平下，岩土比对下沉系数的影 响程度不同，随着埋深的增加，下沉系数的减小幅度基本表现为先变大后变小。 关键词 煤炭开采 开采沉陷 覆岩岩土比 数值模拟 榆神矿区 中图分类号 Ｔ Ｄ ８ ２ ２ 文献标识码 Ａ Ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ａ ｎ ｄ ｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｏ ｖ ｅ ｒ ｌ ｙ ｉ ｎ ｇ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ａ ＇ ｓ ｒ ｏ ｃ ｋ－ｓ ｏ ｉ ｌ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ｓ ｕ ｂ ｓ ｉ ｄ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｓ ｏ ｎ ｇ Ｓ ｈ ｉ ｊ ｉ ｅ １， Ｚ ｈ ａ ｏ Ｘ ｉ ａ ｏ ｇ ｕ ａ ｎ ｇ １， Ｗ ａ ｎ ｇ Ｓ ｈ ｕ ａ ｎ ｇ ｍ ｉ ｎ ｇ １，２， Ｚ ｈ ａ ｎ ｇ Ｙ ｏ ｎ ｇ １，３ （ １． Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｇ ｅ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍ ｅ ｎ ｔ ，Ｘ ｉ ＇ ａ ｎ 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， Ｘ ｉ＇ ａ ｎ，Ｓ ｈ ａ ａ ｎ ｘ ｉ ７ １ ０ ０ ５ ４，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ； ２． Ｓ ｈ ａ ａ ｎ ｘ ｉ Ｇ ｅ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｕ ｒ ｖ ｅ ｙ，Ｘ ｉ＇ ａ ｎ，Ｓ ｈ ａ ａ ｎ ｘ ｉ ７ １ ０ ０ ６ ５，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ； ３． Ｓ ｈ ａ ａ ｎ ｘ ｉ Ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｎ ｃ ｉ ａ ｌ Ｄ ｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ Ｗ ａ ｔ ｅ ｒ Ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｓ，Ｘ ｉ＇ ａ ｎ，Ｓ ｈ ａ ａ ｎ ｘ ｉ ７ １ ０ ０ ０ ４，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ） Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｔ ａ ｋ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｏ ｖ ｅ ｒ ｌ ｙ ｉ ｎ ｇ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ａ ｏ ｆ ２ －２ ｃ ｏ ａ ｌ ｓ ｅ ａ ｍ ｉ ｎ Ｘ ｉ ａ ｏ ｂ ａ ｏ ｄ ａ ｎ ｇ ｍ ｉ ｎ ｅ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｉ ｎ Ｙ ｕ ｓ ｈ ｅ ｎ ｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ａ ｒ ｅ ａ ａ ｓ ｇ ｅ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｃ ａ ｌ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ，３ ０ｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ｗ ｉ ｔ ｈ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｒ ｏ ｃ ｋ －ｓ ｏ ｉ ｌ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｗ ｅ ｒ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ－ ｔ ｕ ｒ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｂ ａ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｒ ｅ ｇ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｇ ｅ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｃ ａ ｌ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ａ ｎ ｄ ３ ｔ ｙ ｐ ｉ ｃ ａ ｌ ｄ ｒ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ ｓ． Ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｏ ｆ ｎ ｕ－ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ，ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｌ ａ ｗ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｃ ｋ－ｓ ｏ ｉ ｌ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ｓ ｕ ｂ ｓ ｉ ｄ ｅ ｎ ｃ ｅ ｗ ａ ｓ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｅ ｄ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｓ ａ ｍ ｅ ｇ ｅ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｃ ａ ｌ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｅ ｄ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｓ ｕ ｂ ｓ ｉ ｄ－ ｅ ｎ ｃ ｅ ｃ ｏ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ｗ ｏ ｕ ｌ ｄ ｄ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｃ ｋ－ｓ ｏ ｉ ｌ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｂ ｕ ｒ ｉ ｅ ｄ ｄ ｅ ｐ ｔ ｈ ｏ ｆ ２ ５ ０ ｍ ａ ｎ ｄ ３ ０ ０ｍ；ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｂ ｕ ｒ ｉ ｅ ｄ ｄ ｅ ｐ ｔ ｈ ｏ ｆ ３ ５ ０ｍ，ｔ ｈ ｅ ｓ ｕ ｂ ｓ ｉ ｄ ｅ ｎ ｃ ｅ ｃ ｏ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ｄ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｄ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｏ ｆ ｒ ｏ ｃ ｋ－ｓ ｏ ｉ ｌ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ａ ｓ ａ ｗ ｈ ｏ ｌ ｅ ｅ ｘ ｃ ｅ ｐ ｔ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｃ ｋ－ｓ ｏ ｉ ｌ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｗ ａ ｓ ２∶１． Ｔ ｈ ｅ ｑ ｕ ａ ｎ ｔ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｂ ｅ－ ｔ ｗ ｅ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｕ ｂ ｓ ｉ ｄ ｅ ｎ ｃ ｅ ｃ ｏ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｃ ｋ－ｓ ｏ ｉ ｌ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｗ ａ ｓ ｂ ｕ ｉ ｌ ｔ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｄ ｅ ｐ ｔ ｈ ｌ ｅ ｖ－ ｅ ｌ ｓ． Ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｄ ｅ ｐ ｔ ｈ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｓ，ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｇ ｒ ｅ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｃ ｋ－ｓ ｏ ｉ ｌ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｕ ｂ ｓ ｉ ｄ－ ｅ ｎ ｃ ｅ ｃ ｏ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ｗ ａ ｓ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ，ａ ｎ ｄ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｏ ｆ ｂ ｕ ｒ ｉ ｅ ｄ ｄ ｅ ｐ ｔ ｈ，ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｅ ｘ ｔ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｕ ｂ ｓ ｉ ｄ ｅ ｎ ｃ ｅ ｃ ｏ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ｇ ｏ ｔ ｂ ｉ ｇ ｇ ｅ ｒ ｂ ｅ ｆ ｏ ｒ ｅ ｉ ｔ ｇ ｏ ｔ ｓ ｍ ａ ｌ ｌ ｅ ｒ ． Ｋ ｅ ｙ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｃ ｏ ａ ｌ ｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ，ｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ｓ ｕ ｂ ｓ ｉ ｄ ｅ ｎ ｃ ｅ，ｏ ｖ ｅ ｒ ｌ ｙ ｉ ｎ ｇ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ａ ＇ ｓ ｒ ｏ ｃ ｋ－ｓ ｏ ｉ ｌ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ，ｎ ｕ ｍ ｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ，Ｙ ｕ ｓ ｈ ｅ ｎ ｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ａ ｒ ｅ ａ 地质因素是影响与控制开采沉陷发生发展的主 要因素，这一基本认识已经得到国内外学者公认。 目前，关于地质因素对开采沉陷影响作用的研究主 ３６ 覆岩岩土比对开采沉陷的影响分析与数值模拟＊ 要集中于褶皱、断层、节理、构造应力、埋深、覆 岩综合硬度等方面。煤炭作为典型的沉积矿产，其 覆岩的层状结构是煤炭赋存的显著地质特点，而在 开采沉陷研究领域却一直没有受到足够的关注。关 于煤系覆岩层状结构及其特征影响开采沉陷的研究 进展和成果在国内外也是鲜有报道。 岩土比 （ 基岩总厚度与土层总厚度的比值）作 为煤系覆岩层状结构最为宏观的特征，对开采沉陷 的发展过程和最终损害程度都会产生重要影响。而 涉及岩土比的现有研究主要是通过多样本的岩土比 和下沉系数的统计分析，最终给出统计意义上变化 关系，其研究成果虽然具有一定科学价值，但由于 所选样本在地质条件 （ 如埋深、基岩结构等）和开 采工艺 （ 如开采方法、采厚等）都存在差异，因此 在科学性上还存在一定问题。 鉴于此，本文以陕北榆神矿区小保当井田２ －２ 煤层覆岩为地质原型，以多个代表性钻孔数据资料 为依据，在不同埋深水平上构建多个数值模型，运 用数值模拟试验的方法研究在地质条件和开采工艺 相同的情况下，覆岩岩土比对开采沉陷的影响规 律，以期进一步深化地质因素在影响与控制开采沉 陷方面的研究。 １ 榆神矿区２ －２煤层地质赋存条件 ２ －２煤层作为榆神矿区内主采煤层，位于含煤 岩系顶部，厚度０ ． ２ ６～１ ２ ． １ ６ｍ，平均６ ． ５ｍ，倾 角不足１ 。该煤层埋藏深度总体特征为东浅西深， 最浅小于４ ０ｍ，最深大于５ ８ ０ｍ，埋深大于２ ０ ０ｍ 的范围约占６ ０％。 ２ －２煤层上覆地层自下而上依次是侏罗系中统 直罗组 （ Ｊ２ Ｚ） 、安定组 （Ｊ２ ａ） 、白垩系下统洛河组 （Ｋ １ １） 、第三系上新统三趾马组 （Ｎ２） 、第四系中 更新统离石组 （Ｑ ２ Ｌ） 、第四系上更新统萨拉乌素组 （Ｑ３ Ｓ） 、第四系上全新统 （Ｑ４） 。地表被较厚松散 层覆盖，其以现代风积沙为主，厚度为０～１ ７ ５ｍ， 平均为３ ０ｍ，松散层下赋存土层厚度０～３ ０ｍ， 平均厚度为２ ０ｍ。 ２ 小保当井田钻孔特征 通过对小保当井田７条勘探线、共１ ２个地质 钻孔数据资料的编录与分析，小保当井田２ －２煤层 厚度３ ． ４ ７～９ ． ２ ６ｍ，平均厚度５ ． ８ ４ｍ；埋藏深度 ２ ４ ０～４ ０ ０ｍ，地表松散层厚度一般５～１ ０ｍ，最大 厚 度 ３ １ ｍ， 松 散 层 下 赋 土 层 厚 度 ３ ． ８ １ ～ １ ０ ２ ． ６ ４ｍ，平均４ ０ｍ，覆岩岩土比最大为８∶１， 最小为２∶１。 按照 ２ ５ ０ ｍ、３ ０ ０ ｍ、３ ５ ０ ｍ 不同埋深水平， 依次选取了 Ｘ Ｂ １ ３钻孔、５ ２－２钻孔、Ｘ Ｅ ７钻孔中 的２ －２煤层覆岩作为地质原型，其主要特征见表１。 表１ 代表性钻孔中２ －２煤层覆岩主要特征表 钻孔 代号 煤层 埋深／ｍ 基岩特征 厚度／ｍ 岩性构成 土层特征 厚度／ｍ 结构类型 岩土比 Ｘ Ｂ １ ３ ２ ６ ８ ． ５ ２ ３ ８ ． ９ 砂岩、粉砂岩、泥岩互层 ２ ９ ． ６ 薄沙土、薄红土 ８ ． １∶１ ５ ２－２ ３ ２ ５ ． ８ ２ ５ ５ ． ５ 砂岩、粉砂岩、泥岩互层 ７ ０ ． ３ 薄沙土、厚红土 ３ ． ６∶１ Ｘ Ｅ ７ ３ ７ ２ ． ９ ３ ０ ４ ． １砂岩、粉砂岩、泥岩互层６ ８ ． ８厚沙土、薄红土４ ． ４∶１ ３ 不同岩土比对开采沉陷影响的数值模拟试验 ３ ． １ 不同埋深水平的数值模型构建 以小保当井田２ －２煤层赋存条件为地质背景， 以钻 孔 Ｘ Ｂ １ ３、５ ２－２、Ｘ Ｅ ７ 依 次 作 为 ２ ５ ０ ｍ、 ３ ０ ０ｍ、３ ５ ０ｍ３个不同埋深水平的地质原型，按 照各钻孔中２ －２煤层覆岩实际地层层序和岩性进行 建模。 需要说明的是由于各钻孔中２ －２煤层实际埋深 与对应的埋深水平还存在一定的差异，不利于后续 建模和分析，因此需先将各钻孔实际埋深转化为对 应的埋深水平。基本做法是各钻孔中２ －２煤层覆岩 实际的地层层序保持不变，各岩 （ 土）层厚度按照 式 （ １）进行转化。 ｈ ｓ ｉ＝ ｈｉ Ｈ Ｈｓ （ ｉ＝１，２，３， ，ｎ） （ １） 式中ｈ ｓ ｉ 既定埋深水平下，第ｉ层岩 （ 土）层 的厚度，ｍ； ｈｉ 第ｉ层岩 （ 土）层实际厚度，ｍ； Ｈ 实际埋深，ｍ； Ｈｓ 埋深水平，ｍ。 ４６ 中国煤炭第４ １卷第６期２ ０ １ ５年６月 目前，榆神矿区以长壁综采为主要采煤方法， 开采 强 度 很 高。 大 部 分 矿 井 的 工 作 面 长 超 过 ２ ０ ０ｍ，开采高度一般为４～５ｍ，连续推进长度 ５ ０ ０ ０～６ ０ ０ ０ｍ。因此，在构建数值模型中，２ －２煤 层厚度统一取５ｍ，一次采全高，工作面长２ ５ ０ｍ。 以钻孔 Ｘ Ｂ １ ３ 为例，按照上述方法，构建了 ２ ５ ０ｍ 埋深水平的２ －２煤层覆岩三维数值模型，见 图１ 。 ３ ． ２ 不同岩土比的数值模型构建 基于小保当井田２ －２煤层覆岩岩土比实际勘测 的变化范围，并根据井田基岩与土层厚度变化的情 况做适当的延伸，得到１ ０组不同岩土比，即２ ∶ １、 ３ ∶ １、４ ∶ １、５ ∶ １、６ ∶ １、７ ∶ １、８ ∶ １、１ ０ ∶ １、１ ５ ∶１、２ ０∶１。结合３个不同的埋深水平，最终形成 ３ ０个不同类型的数值模型，见表２。 图１ ２ ５ ０ｍ埋深水平的三维数值模型 表２ 不同岩土比数值模型类型 埋深 水平／ｍ ２∶１ ３∶１ ４∶１ ５∶１ ６∶１ ７∶１ ８∶１ １ ０∶１ １ ５∶１ ２ ０∶１ ２ ５ ０Ｍ １－１Ｍ １－２Ｍ １－３Ｍ １－４Ｍ １－５Ｍ １－６Ｍ １－７Ｍ １－８Ｍ １－９Ｍ １－１ ０ ３ ０ ０Ｍ ２－１Ｍ ２－２Ｍ ２－３Ｍ ２－４Ｍ ２－５Ｍ ２－６Ｍ ２－７Ｍ ２－８Ｍ ２－９Ｍ ２－１ ０ ３ ５ ０Ｍ ３－１Ｍ ３－２Ｍ ３－３Ｍ ３－４Ｍ ３－５Ｍ ３－６Ｍ ３－７Ｍ ３－８Ｍ ３－９Ｍ ３－１ ０ 需要说明的是在不同埋深水平数值模型的基础 上，根据既定的岩土比对模型中各岩 （ 土）层的厚 度进行调整，见式 （ ２）和式 （３） ，并最终形成用 于后续数值模拟试验的模型。 ｈ ｋ ｒｉ＝ｈ ｓ ｉ １－ １ （）ｋ （ ｉ＝１，２，３， ，ｎ） （ ２） ｈ ｋ ｓｉ＝ｈ ｓ ｉ ｋ （ｉ＝１，２，３， ，ｎ） （ ３） 式中ｈ ｋ ｒｉ 既定岩土比条件下，第ｉ层岩层的 厚度，ｍ； ｈ ｋ ｓｉ 既定岩土比条件下，第ｉ层土层的 厚度，ｍ； ｋ 岩土比。 ３ ． ３ 基于Ｆ Ｌ Ａ Ｃ ３ Ｄ的数值模拟试验 以Ｆ Ｌ Ａ Ｃ ３ Ｄ数值模拟软件为试验平台，对不 同埋深水平和不同岩土比条件下的２ －２煤层开采过 程进行数值模拟。模型左右边界定为单约束边界 （ 取 ｕ＝０，ｖ≠０，ｗ≠０，ｕ为Ｘ方向位移，ｖ为Ｙ 方向位移，ｗ为Ｚ方向位移） ；模型前后边界定为 单约束边界 （ 取ｕ≠０，ｖ＝０，ｗ≠０） ；模型底边 界定为全约束边界 （ ｕ＝０，ｖ＝０，ｗ＝０） ；模型上 边界定为自由边界，不予约束。 表３ Ｍ １系列数值模型中岩土层物理力学参数 岩性 饱和单轴抗压 强度／ＭＰ ａ 弹性模量 ／１ ０ ４ ＭＰ ａ 抗拉强度 ／ＭＰ ａ 重度 ／ｋ Ｎｍ－３ 内摩 擦角／ （ ） 泊松比 黏聚力 ／ＭＰ ａ 沙土层 ０ ． ８ ０ ０ ． ０ ０ ２ ０ ． ０ ３ １ ７ ． ２ ３ ７ ． ０ ０ ０ ． ３ １ ０ ． ０ ７ 红土层 ０ ． ８ ０ ０ ． ０ ０ ７ ０ ． ２ ０ １ ８ ． ６ ３ ７ ． ２ ０ ０ ． ３ ０ ０ ． ６ ９ 砂质泥岩５ ． ４ ３ ０ ． ０ ０ ８ ０ ． ２ ２ ２ ４ ． ３ ０ ３ ７ ． ０ ０ ０ ． ３ ６ ０ ． ７ ６ 细砂岩 ２ ３ ． ９ ０ ０ ． ４ ６ １ ． ０ ９ ２ ４ ． １ ０ ４ ０ ． ０ ０ ０ ． ２ ８ ２ ． １ ６ 粉砂岩 ３ ３ ． ７ ０ ０ ． ９ ８ １ ． ３ １ ２ ４ ． ５ ０ ４ ０ ． ０ ０ ０ ． ３ ５ ３ ． ０ ４ ２ －２煤层 １ １ ． ４ ０ ０ ． ０ ０ ０ ０ ５ ０ ． ２ ４ １ ３ ． ６ ０ ３ ８ ． ５ ０ ０ ． １ ７ ０ ． ６ １ 底板８ ０ ． ７ ０ ３ ． ５ ０ １ ． ８ ６ ２ ３ ． ０ ０ ３ ９ ． ０ ０ ０ ． １ ５ ３ ． ６ ０ ５６ 覆岩岩土比对开采沉陷的影响分析与数值模拟＊ 根据Ｆ Ｌ Ａ Ｃ ３ Ｄ 数值模拟软件中摩尔－库伦本 构模型对材料参数的要求，选取了饱和单轴抗压强 度等７个参数，并以３个代表性钻孔中的岩 （ 土） 层实际的物理力学指标对模型中各岩土层的物理力 学参数进行赋值。以 Ｍ １系列数值模型为例，其数 值见表３。 ３ ． ４ 试验过程 模拟开采过程中，工作面沿走向方向自右向左 （ 见图 １ ）逐步推进 （ 在模型右侧保留 １ ０ ０ ｍ 煤 柱） 。随着采空区的增大，地表开始发生下沉运动 直至达到充分采动。运用基于Ｆ Ｉ Ｓ Ｈ 语言数据提取 程序对３ ０个模型的逐步开挖过程中每一步开挖产 生的 地 表 下 沉 量 进 行 数 据 提 取，以 备 后 续 分 析 使用。 ４ 试验结果与分析 通过对３ ０个不同类型的模型进行数值模拟试 验，得到在不同埋深水平下不同岩土比与下沉系数 之间的对应关系，见表４和图２。 表４ 不同埋深水平下，岩土比与下沉系数的对应关系 岩土比 埋深水平２ ５ ０ｍ 下沉系数 埋深水平３ ０ ０ｍ 下沉系数 埋深水平３ ５ ０ｍ 下沉系数 ２∶１ ０ ． ９ ２ ０ ０ ． ７ ６ ３ ０ ． ５ ２ ７ ３∶１ ０ ． ９ １ ６ ０ ． ７ ２ ３ ０ ． ５ ５ ２ ４∶１ ０ ． ９ ０ ８ ０ ． ７ ０ ０ ０ ． ５ ５ ２ ５∶１ ０ ． ９ ０ ８ ０ ． ６ ８ ７ ０ ． ５ ５ ６ ６∶１ ０ ． ９ ０ ４ ０ ． ６ ８ ３ ０ ． ５ ５ ２ ７∶１ ０ ． ８ ９ ４ ０ ． ６ ７ ２ ０ ． ５ ５ １ ８∶１ ０ ． ８ ８ ２ ０ ． ６ ６ ５ ０ ． ５ ５ ０ １ ０∶１ ０ ． ８ ６ ２ ０ ． ６ ４ ５ ０ ． ５ ４ ８ １ ５∶１ ０ ． ８ ４ ４ ０ ． ６ ３ １ ０ ． ５ ２ ７ ２ ０∶１ ０ ． ８ ３ ４ ０ ． ６ ２ ５ ０ ． ５ １ ４ 由表４和图２可知 （ １）在２ ５ ０ｍ 和３ ０ ０ｍ 埋深水平下，下沉系 数都会随着岩土比的增大而减小；在３ ５ ０ｍ 埋深 水平下，下沉系数整体上呈现随岩土比增大而变小 的趋势 （ 岩土比为２∶１的点除外） 。这一结果与前 人从统计学角度得到的研究成果相一致。针对图２ 中３种不同埋深水平下岩土比与下沉系数的关系曲 线，进行非线性拟合，得到如下公式 埋深水平为２ ５ ０ｍ ｑ＝０ ． ０ ０ ０ ２ｋ ２ －０ ． ０ ０ ８ ７ｋ＋０ ． ９ ４ ２ Ｒ ２ ＝０ ． ９ ６ ９ ７（４） 图２ 不同埋深水平下，岩土比与下沉系数的对应关系 埋深水平为３ ０ ０ｍ ｑ＝０ ． ０ ０ ０ ６ｋ ２ －０ ． ０ ２ｋ＋０ ． ７ ８ ２ Ｒ ２ ＝０ ． ９ ５ ３ ０（５） 埋深水平为３ ５ ０ｍ ｑ＝－０ ． ０ ０ ０ ３ｋ ２ ＋０ ． ０ ０ ４ １ｋ＋０ ． ５ ３ ５ Ｒ ２ ＝０ ． ７ ５ ２ ２（６） 式中ｑ 下沉系数； ｋ 岩土比。 （ ２）埋深水平不同，下沉系数随岩土比增大而 产生的减小幅度不同。埋深水平为２ ５ ０ｍ 时，下 沉系数从 ０ ． ９ ２ ０（ 岩土比为 ２∶１）下降至 ０ ． ８ ３ ４ （ 岩土比为２ ０∶１） ，下降了９ ． ３ ４％；埋深水平为 ３ ０ ０ｍ 时，下沉系数从０ ． ７ ６ ３（ 岩土比为２∶１）下 降至０ ． ６ ２ ５（ 岩土比为２ ０∶１） ，下降了１ ８ ． ０ ８％； 埋深水平为３ ５ ０ｍ 时，下沉系数从０ ． ５ ５ ２（ 岩土比 为３∶１）下降至０ ． ５ １ ４ （ 岩土比为２ ０∶１） ，下降 了６ ． ８ ８％。可见，在不同的埋深水平下，岩土比 对下沉系数的影响程度也不相同，随着埋深的增 加，下沉 系 数 的 减 小 幅 度 基 本 表 现 为 先 变 大 后 变小。 （ ３）埋深水平不同，下沉系数随岩土比增大而 呈现的变化过程不同。埋深水平为２ ５ ０ｍ 时，下 沉系数随岩土比增大而呈现出先慢后快的减小过 程，且岩土比６∶１是临界点，下沉系数在岩土比 ６∶１～２ ０∶１区段的平均减小率是其在岩土比２∶１ ～６∶１区段平均减小率的４倍；埋深水平为３ ０ ０ｍ 时，下沉系数随岩土比增大而呈现出先快后慢的减 小过程，且岩土比１ ０∶１是临界点，下沉系数在岩 土比２∶１～１ ０∶１区段的平均减小率是其在岩土比 ６６ 中国煤炭第４ １卷第６期２ ０ １ ５年６月 １ ０∶１～２ ０∶１区段平均减小率的１ ． ５ ７倍；埋深水 平为３ ５ ０ｍ 时，下沉系数随岩土比增大而呈现出 先慢后快的减小过程，且岩土比１ ０∶１是临界点， 下沉系数在岩土比１ ０∶１～２ ０∶１区段的平均减小 率是其在岩土比 ２∶１～１ ０∶１ 区段平均减小率 的６ ． ７倍。 （ ４）试验结果显示超过１ ０ ０ｍ 的巨厚土层具 有降低下沉系数的效应。当埋深水平为３ ５ ０ｍ，岩 土比为２∶１时对应的下沉系数仅为０ ． ５ ２ ７，小于 岩土比为３∶１、４∶１、５∶１、６∶１、７∶１、８∶１、 １ ０∶１时对应的下沉系数，相较于其他两个埋深水 平的情形存在明显差异。对比３种埋深水平在岩土 比为２∶１时上覆土层的厚度，发现只有埋深水平 为３ ５ ０ｍ 时上覆土层厚度超过１ ０ ０ｍ，为１ １ ７ｍ （ 由埋深３ ５ ０ｍ 且岩土比２∶１计算得到） ，同理， 埋深水平为２ ５ ０ｍ 和３ ０ ０ｍ 时上覆土层厚度分别 为８ ３ｍ 和１ ０ ０ｍ。根据夏玉成教授在陕西铜川矿 区的沉陷实测数据和钱鸣高院士关于表土层影响关 键层的研究成果推断，这种特殊的现象很可能是厚 度超过１ ０ ０ｍ 的巨厚土层所致。 ５ 结论 以陕北榆神矿区小保当井田２ －２煤层覆岩为地 质原型，基于区域地质条件和３个代表性钻孔数据 资料构建了３ ０个不同岩土比类型的数值模型，运 用数值模拟试验的方法研究在地质条件和开采工艺 相同的情况下，覆岩岩土比对开采沉陷的影响规 律，结论如下 （ １）在２ ５ ０ｍ 和３ ０ ０ｍ 埋深水平下，下沉系 数都会随着岩土比的增大而减小；在３ ５ ０ｍ 埋深 水平下，下沉系数整体上呈现随岩土比增大而变小 的趋势 （ 岩土比为２∶１的点除外） 。针对３种不同 埋深水平建立了岩土比与下沉系数的量化关系。 （ ２）在不同的埋深水平下，岩土比对下沉系数 的影响程度不同，表现为下沉系数变化速度随埋深 增加先大后小的变化趋势。埋深水平不同，下沉系 数随岩土比增大而呈现的变化过程也不尽相同。 （ ３）基于数值模拟试验结果，超过１ ０ ０ｍ的 巨厚土层具有降低下沉系数的效应。 参考文献 ［１］ 管俊才，鞠金峰．元堡煤矿浅埋特厚煤层开采地表 沉陷规律研究 ［Ｊ］．中国煤炭，２ ０ １ ３（ ５） ［２］ 宋世杰，赵晓光，管园园．榆神府矿区开采沉陷损害 影响因素的灰色关联分析 ［Ｊ］．工业安全与环保， ２ ０ １ ０（３） ［３］ Ｄ ｏ ｎ ｎ ｅ ｌ ｌ ｙ，Ｌ． Ｊ ．，Ｄ ｅ ｌ ａ ｃ ｒ ｕ ｚ，Ｈ．，Ａ ｓ ｍ ａ ｒ，Ｉ ．Ｏ． ｅ ｔ ． ａ ｌ ． Ｔ ｈ ｅ ｍ ｏ ｎ ｉ ｔ ｏ ｒ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ ｐ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ｓ ｕ ｂ ｓ ｉ ｄ ｅ ｎ ｃ ｅ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ Ａ ｍ ａ ｇ ａ ｍ，Ａ ｎ ｇ ｅ ｌ ｏ ｐ ｏ ｌ ｉ ｓ，Ｖ ｅ ｎ ｅ ｃ ｉ ａ ａ ｎ ｄ Ｂ ｏ ｌ ｏ ｍ ｂ ｏ ｌ ｏ Ｒ ｅ－ ｇ ｉ ｏ ｎ ｓ，Ａ ｎ ｔ ｉ ｏ ｑ ｕ ｉ ａ，Ｃ ｏ ｌ ｏ ｍ ｂ ｉ ａ［ Ｊ］． Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｇ ｅ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ， ２ ０ ０ １（１） ［４］ 许家林，钱鸣高，朱卫兵．覆岩主关键层对地表下沉动 态的影响研究 ［ Ｊ］．岩石力学与工程学报，２ ０ ０ ５（５） ［５］ 赵启峰，孟祥瑞，赵光明等．厚松散层下开采沉陷预 测模型的研究及应用 ［Ｊ］．中国煤炭，２ ０ ０ ８（ ５） ［６］ 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，２ ０ ０ ３ ［７］ 赵海军，马凤山，李国庆等．断层上下盘开挖引起岩 移的断层效应 ［Ｊ］．岩土工程学报，２ ０ ０ ８（ ９） ［８］ 夏玉成，杜荣军 ．节理倾角对采煤沉陷影响的数值 实验研究 ［Ｊ］． 矿业安全与环保，２ ０ ０ ８（ ６） ［９］ 夏玉成，雷通文 ．构造应力与采动损害关系的数值 试验研究 ［Ｊ］． 辽宁工程技术大学学报，２ ０ ０ ６（ ４） ［１ ０］ 刘瑾，孙占法，张永波 ．采深和松散层厚度对开采 沉陷地表移动变形影响的数值模拟研究 ［Ｊ］ ．水 文地质，２ ０ ０ ７（ ４） ［１ １］ 宋世杰，赵晓光，刘源等 ． 榆神府矿区开采沉陷的灰 色关联分析及其回归预计 ［ Ｊ］． 煤矿安全，２ ０ １ ０（８） ［１ ２］ 赵晓光，宋世杰，管园园 ．基于灰色关联度的煤矿 区开采沉陷关键影响因子分析 ［Ｊ］．中国煤炭， ２ ０ １ ０（９） ［１ ３］ 胡海峰 ． 不同岩土比复合介质地表沉陷规律及预测 研究 ［Ｄ］． 太原理工大学，２ ０ １ ２ ［１ ４］ Ｓ ｈ ｉ ｊ ｉ ｅ Ｓ ｏ ｎ ｇ，Ｘ ｉ ａ ｏ ｇ ｕ ａ ｎ ｇ Ｚ ｈ ａ ｏ，Ｙ ｕ Ｌ ｉ ．Ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｋ ｅ ｙ ｇ ｅ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｃ ａ ｌ－ｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ｉ ｍ ｐ ａ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ ｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ｓ ｕ ｂ ｓ ｉ ｄ ｅ ｎ ｃ ｅ ｉ ｎ ｃ ｏ ａ ｌ ｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ａ ｒ ｅ ａａ ｃ ａ ｓ ｅ ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｉ ｎ Ｙ ｕ Ｓ ｈ ｅ ｎ Ｆ ｕ ｍ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇ ａ ｒ ｅ ａ［Ｊ］． Ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｃ ｅ ｍ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ｒ ｅ － ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ，２ ０ １ ４（８ ６ ８） ［１ ５］ 王双明，黄庆享，范立民等 ．生态脆弱区煤炭开采 与生态水位保护 ［Ｍ］．北京科学出版社，２ ０ １ ０ 作者简介宋世杰 （１ ９ ８ ３－） ，男，山东省济南人，讲 师，地质工程专业工学博士。主要从事矿山地质灾害防治 与环境保护方面的教学与科研工作。 （ 责任编辑 张毅玲） ７６ 覆岩岩土比对开采沉陷的影响分析与数值模拟＊
展开阅读全文
