郭春穎，李云龍，劉軍柱

(中國地質(zhì)工程集團公司，北京 100083)

煤礦開采引起的開采沉陷問題日益引起世人的關(guān)注，尤其是礦區(qū)鄰近城市周邊的開采沉陷盆地對城市的安全和發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。而人們對傾角在45°以上的急傾斜煤層開采引起的巖層移動和地表塌陷規(guī)律的認(rèn)識還不是很深入，筆者試圖通過UDEC數(shù)值計算軟件，以新疆烏魯木齊六道灣煤礦的開采沉陷問題為例，模擬研究急傾斜特厚煤層開采圍巖破壞運動規(guī)律和地表沉陷變形的規(guī)律，找出控制沉陷和巖層破壞的科學(xué)途徑。

1 六道灣礦區(qū)概況

六道灣煤礦位于烏魯木齊礦區(qū)、八道灣向斜南翼的西部,地處烏魯木齊市水磨溝區(qū)六道灣。

礦區(qū)位于博格達山西北麓與準(zhǔn)噶爾盆地東南緣之間的山前丘陵地帶，地勢西南高，東北低，最高海拔+920m，最低海拔+760m，相對高差一般10～30m，最大50～100m。其中，西山窯組大槽煤侵蝕面在800m水平以下。

礦區(qū)地層為陸相沉積地層，主要為侏羅系及第四系地層，其中侏羅系分布最廣，第四系次之。侏羅系地層有下統(tǒng)的八道灣組和三工河組，中統(tǒng)的西山窯組及頭屯河組，上統(tǒng)的齊古組。西山窯組為區(qū)內(nèi)主要含煤巖系。

開采煤層為侏羅系西山窯組，主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖組成。煤層走向東翼約為北60°東，西翼為北64°-66°東，傾向322°～335°。煤層傾角60°～70°，一般65°。南部的B1～B6煤層形成了兩個組合特厚煤層，B1+2稱為“南大槽”，B3+4+5+6稱為“北大槽”。

2 UDEC數(shù)值模擬軟件簡介及其適用性簡析

通用離散元程序(UDEC，Universal Distinct Element Code)是一個處理不連續(xù)介質(zhì)的二維離散元程序。UDEC用于模擬非連續(xù)介質(zhì)(如巖體中的節(jié)理裂隙等)承受靜載或動載作用下的響應(yīng)。非連續(xù)介質(zhì)是通過離散的塊體集合體加以表示。不連續(xù)面處理為塊體間的邊界面，允許塊體沿不連續(xù)面發(fā)生較大位移和轉(zhuǎn)動。塊體可以是剛體或變形體。變形塊體被劃分成有限個單元網(wǎng)格，且每一單元根據(jù)給定的“應(yīng)力-應(yīng)變”準(zhǔn)則，表現(xiàn)為線性或非線性特性。不連續(xù)面發(fā)生法向和切向的相對運動也由線性或非線性“力-位移”的關(guān)系控制。在UDEC中，為完整塊體和不連續(xù)面開發(fā)了幾種材料特性模型，用來模擬不連續(xù)地質(zhì)界面可能顯現(xiàn)的典型特性。UDEC是基于“拉格朗日”算法很好地模擬塊體系統(tǒng)的變形和大位移。

從離散化的角度出發(fā)，巖體本質(zhì)上是節(jié)理介質(zhì)，煤層開采后的覆巖破碎、斷裂、離層等發(fā)育，可作為離散體來處理，且塊體間存在著力的聯(lián)系，因而離散元在礦山巖體力學(xué)和礦山壓力研究中得到較廣泛的應(yīng)用，對模擬急傾斜煤層開采沉陷問題比較適用。

3 數(shù)值建模

3.1 計算范圍

理論分析和計算實踐表明，當(dāng)由于結(jié)構(gòu)或工程開挖釋放荷載作用于巖體某一部位時，對周圍巖體的應(yīng)力及位移將有明顯影響的范圍大約是開挖或結(jié)構(gòu)與巖體作用面的輪廓尺寸的2.5～3倍，在此范圍之外，影響甚微，可忽略不計。

考慮到離散誤差和計算誤差，為保證計算精度，計算范圍應(yīng)取不小于3～4倍的范圍，結(jié)合本區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件和開采規(guī)模方式，綜合確定模型南邊界為南大槽露頭以南738m左右，北邊界為B33煤層露頭以北1481m左右，底板邊界為+510水平以下510m，煤層傾角取平均值65°，整個模型尺寸為長×高=3 000m×810m。模型位置選取研究區(qū)內(nèi)煤層開采強度最大，塌陷程度最嚴(yán)重的剖面。

3.2 物理力學(xué)參數(shù)的選取

依據(jù)相關(guān)試驗數(shù)據(jù)和研究區(qū)地質(zhì)賦存特點，充分考慮煤系地層多節(jié)理裂隙的特點和煤層與巖層的巖性差異較大的地質(zhì)條件，對試驗得出的力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)進行適度的折算處理，取巖塊力學(xué)性質(zhì)的1/3左右強度值，綜合各方面因素，確定研究區(qū)地層巖性參數(shù)如表1所示。

表1 地層物性參數(shù)表

3.3 邊界和初始條件的確定

根據(jù)研究問題的需要，選擇的模型范圍受采動影響很小，模型邊界可以認(rèn)為底部無水平和垂直位移，左右兩邊界無水平位移，即速度為零，巖體內(nèi)部只存在天然自重應(yīng)力，因研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較單一，不考慮小斷層和地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力的作用。

4 模型運行結(jié)果分析

依據(jù)生產(chǎn)資料顯示的開采順序，確定模型的開挖順序，以期較真實的模擬礦區(qū)煤層開采引起的應(yīng)力重分布和巖層移動規(guī)律，劃分650水平、540水平和510水平三個水平，本著先開采北大槽再開采南大槽的開采順序?qū)δＰ瓦M行開挖，下面分別列出模型運行成果，并做分析。

4.1 開采結(jié)束后的應(yīng)力分布云圖

北大槽510水平煤層開采的豎直應(yīng)力和水平應(yīng)力分布云圖見圖1、圖2。隨著煤層開采強度的加大，開采深度的增加，巖體內(nèi)的應(yīng)力水平層狀分布規(guī)律進一步遭到破壞和擾動，采空區(qū)周圍形成明顯的泄壓區(qū)和支承壓力區(qū)，符合礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。擾動破壞不斷發(fā)展直達到地表，圖1、圖2所示北大槽部分采空區(qū)(圖中標(biāo)示采空塌陷區(qū)域)已被坍塌的巖石所充填壓密，形成二次應(yīng)力場。

圖1 豎直應(yīng)力分布云圖

圖2 水平應(yīng)力分布云圖

4.2 北大槽頂板點的應(yīng)力、應(yīng)變變化曲線

由圖3到圖5的水平方向的應(yīng)力變化曲線、應(yīng)變變化曲線以及應(yīng)力-應(yīng)變變化曲線可以看出巖體由彈性變形階段進入塑性階段并最終破壞的全過程。

該點的水平應(yīng)力經(jīng)歷了兩次階越式突變，第一次在a點由2MPa的高壓應(yīng)力突然泄壓至b點0.2Mpa的低應(yīng)力區(qū)，表征巖體因煤層開采而應(yīng)力釋放的過程，并持續(xù)到c點，此階段是巖體裂隙發(fā)育的過程，對應(yīng)圖4中的a點位置，此后巖體產(chǎn)生較大的應(yīng)變變形和應(yīng)力增長的過程，表征此階段巖體發(fā)生破碎并再次壓實的頂板冒落現(xiàn)象。圖5顯示了巖體應(yīng)力隨應(yīng)變變化的特征曲線。

圖3 北大槽頂板點水平應(yīng)力曲線

圖4 水平應(yīng)變曲線

圖5 水平應(yīng)力-應(yīng)變曲線

垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力相似，經(jīng)歷了大致相同的變化過程。

4.3 頂板的巖移特點

由圖6所示，北大槽頂板產(chǎn)生大面積垮落，部分接觸底板，凹向下方，最大位移量19.473m，地表部分地段有局部隆起現(xiàn)象。

圖6 北大槽頂板豎向巖移圖

圖7 豎向應(yīng)力等值線與位移矢量圖

由圖7可以看到北大槽頂板產(chǎn)生大面積冒頂垮落，垮落方向大致是巖層法線方向稍向下方一點，最大位移量55.81 m，底板的破壞程度明顯沒有頂板劇烈。圖7較清晰的顯示了巖體內(nèi)部破壞運移的軌跡，北大槽頂板已經(jīng)大面積垮落，凹向煤層底板，部分已完全垮落到底板上面。

4.4 地表變形及影響范圍

圖8顯示的是地表豎向移動矢量圖，由圖8可見在北大槽深部開采的地表投影附近形成了一個深達4.2 m的塌陷坑，形成的移動盆地范圍直徑約567 m。

圖8 地表豎向移動矢量圖

圖9顯示的是模型運行結(jié)果的塑性區(qū)圖和局部放大圖，由圖9中可以看出，510水平開采時的巖移邊界角β0最大可達28°，這與地表移動觀測資料得出的邊界角29°54′比較吻合，從現(xiàn)場裂縫的發(fā)展情況看，地表移動還沒有停止，裂縫有向北發(fā)展的趨勢。

圖9 塑性區(qū)圖

5 急斜特厚煤層開采沉陷特點小結(jié)

急斜特厚煤層開采沉陷的特點是圍巖破壞主要向煤層上方發(fā)展，底板側(cè)的破壞相比則明顯小的很，隨采深加大頂板圍巖會逐漸向底板運移，但老頂一般只發(fā)生彎曲變形，特別是幾十米的特厚老頂?shù)拇嬖?，有效限制了破壞向頂板的發(fā)展，地表覆蓋層破壞形式呈深槽性地表塌陷。如果在開采過程中分段或水平采用自上而下的充填是及時有效的，破斷的影響范圍是有限的，在老頂上方就可構(gòu)筑永久綠化帶和建筑物，恢復(fù)土地的使用功能，急斜特厚煤層開采的地表就完全可能恢復(fù)為綠色的秀美山川。

[1] 六道灣煤礦巖層與地表移動觀測.

[2] 高召寧，石平五.急傾斜水平分段放頂煤開采巖移規(guī)律[J].西安科技學(xué)院學(xué)報，2001(4)：316-318.

[3] 石平五，高召寧.急斜特厚煤層開采圍巖與覆蓋層破壞規(guī)律[J].煤炭學(xué)報，2003(1).