中國礦業(yè)大學(xué)江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室 萬紅梅 許 晨 葉 霞 徐目圣

開采沉陷預(yù)計的數(shù)值模擬研究

中國礦業(yè)大學(xué)江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室 萬紅梅 許 晨 葉 霞 徐目圣

開采沉陷的研究對于國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活的提高具有重要的意義。為了進行現(xiàn)代化建設(shè)，需要開采大量的有用礦物，但是開采這些有用礦物產(chǎn)生的開采沉陷，又會反過來影響和破壞巖體和地面上的一些生產(chǎn)和生活設(shè)施，影響生產(chǎn)的發(fā)展和人民的生活。要想解決好這個矛盾，開展對開采沉陷的研究是十分必要的。本文，筆者嘗試將FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于開采沉陷預(yù)計中，采用實際的煤巖物理力學(xué)參數(shù)作為計算依據(jù)，模擬地表下沉與開采煤厚之間的關(guān)系，為控制煤層開采后的地表沉陷提供理論依據(jù)。

一、數(shù)值計算模型

數(shù)值計算模型參照的是某礦的具體地質(zhì)條件，采用FLAC3D建模，并運用軟件中的后處理功能分析模型在煤層開挖后預(yù)計地表下沉情況。建立的模型尺寸（長×寬×高）為1 080m×1 080m× 600m，其中，開挖煤層的截面尺寸（長×寬）為600m×600m。模型共4層巖層，各巖層的圍巖力學(xué)參數(shù)見表1。

表 1 圍巖力學(xué)參數(shù)

二、數(shù)值計算方案

1.數(shù)值模型主視表明。在表1所示的圍巖力學(xué)參數(shù)條件下，通過改變煤層厚度，模擬煤層厚度h=2，3，4，5，6，7m時，在采用緩慢垮落、一次采全高采煤方法條件下地表的下沉規(guī)律。

2.在這種情況下，改變煤層上賦巖層的體積模量、剪切模量和抗壓強度，使其分別取表1所示圍巖參數(shù)的70%，30%，模擬不同巖性覆巖結(jié)構(gòu)（堅硬、中硬、軟弱）條件下的地表下沉規(guī)律。

三、模擬結(jié)果及分析

1.在煤層厚度h=2m情況下，取表1所示的圍巖力學(xué)參數(shù)，運用FLAC3D算得開挖平衡后，應(yīng)用其強大的后處理功能，輸出開采后的模型各點位移數(shù)據(jù)，用SURFER8自動繪制煤層開挖后地表的下沉等值線，如圖1所示。由圖1可以看出，煤層的開采導(dǎo)致了地面的下沉，且最大下沉值為0.94m。

2.在表1所示的堅硬覆巖結(jié)構(gòu)條件下，模擬出地表最大下沉值隨不同煤層厚度變化情況。利用回歸分析，得到不同煤厚值與地表最大下沉值之間的回歸曲線，如圖2所示。由圖2可以看出，地表最大下沉值隨著開采煤厚的增大而增加，且存在著線性關(guān)系?；貧w分析得到的函數(shù)滿足理論公式：W0=mq cosα，說明數(shù)值模擬在一定程度上能夠反映地表的沉陷規(guī)律。

3.改變表1所示的圍巖力學(xué)參數(shù)，分別模擬出中硬和軟弱覆巖結(jié)構(gòu)下，地表最大下沉值隨不同煤層厚度的變化情況。不同覆巖結(jié)構(gòu)條件下的煤厚與地表最大下沉量之間的關(guān)系如圖3所示

由圖3可知，隨著覆巖力學(xué)性質(zhì)的不斷減弱，其煤厚與地表最大下沉值的回歸曲線仍舊表現(xiàn)為線性關(guān)系，且直線的斜率隨著覆巖力學(xué)性質(zhì)的減弱而增加，說明覆巖巖性越弱，在開采相同厚度煤層條件下，地表最大下沉值越大。

四、結(jié)論

1.數(shù)值結(jié)果表明，隨著開采煤厚的不斷增大，地表的下沉量也在不斷增加，且地表下沉量與開采煤厚之間存在線性關(guān)系。

2.不同的覆巖結(jié)構(gòu)條件下，地表下沉量與開采煤厚之間存在的線性關(guān)系表明，在開采相同煤厚的條件下，覆巖結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)越弱，地表的下沉量越大，直線的斜率越大。

3.以上結(jié)論對于煤層開采后，控制地表沉陷具有一定的理論指導(dǎo)意義。