宋世杰趙曉光王雙明,2張 勇,3

(1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院,陜西省西安市,710054; 2.陜西省地質(zhì)調(diào)查院,陜西省西安市,710065; 3.陜西省水利廳,陜西省西安市,710004)

覆巖巖土比對(duì)開采沉陷的影響分析與數(shù)值模擬?

宋世杰1趙曉光1王雙明1,2張 勇1,3

(1.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院,陜西省西安市,710054; 2.陜西省地質(zhì)調(diào)查院,陜西省西安市,710065; 3.陜西省水利廳,陜西省西安市,710004)

以榆神礦區(qū)小保當(dāng)井田2－2煤層覆巖為地質(zhì)原型,基于區(qū)域地質(zhì)條件和3個(gè)代表性鉆孔構(gòu)建了30個(gè)不同巖土比類型的數(shù)值模型,運(yùn)用數(shù)值模擬試驗(yàn)的方法研究在地質(zhì)條件和開采工藝相同的情況下,覆巖巖土比對(duì)開采沉陷的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:在250 m和300 m埋深水平下,下沉系數(shù)都會(huì)隨著巖土比的增大而減小;在350 m埋深水平下,下沉系數(shù)整體上呈現(xiàn)隨巖土比增大而變小的趨勢(shì)(巖土比為2∶1的點(diǎn)除外)。針對(duì)3種不同埋深水平建立了巖土比與下沉系數(shù)的量化關(guān)系;在不同的埋深水平下,巖土比對(duì)下沉系數(shù)的影響程度不同,隨著埋深的增加,下沉系數(shù)的減小幅度基本表現(xiàn)為先變大后變小。

煤炭開采 開采沉陷 覆巖巖土比 數(shù)值模擬 榆神礦區(qū)

地質(zhì)因素是影響與控制開采沉陷發(fā)生發(fā)展的主要因素,這一基本認(rèn)識(shí)已經(jīng)得到國內(nèi)外學(xué)者公認(rèn)。目前,關(guān)于地質(zhì)因素對(duì)開采沉陷影響作用的研究主要集中于褶皺、斷層、節(jié)理、構(gòu)造應(yīng)力、埋深、覆巖綜合硬度等方面。煤炭作為典型的沉積礦產(chǎn),其覆巖的層狀結(jié)構(gòu)是煤炭賦存的顯著地質(zhì)特點(diǎn),而在開采沉陷研究領(lǐng)域卻一直沒有受到足夠的關(guān)注。關(guān)于煤系覆巖層狀結(jié)構(gòu)及其特征影響開采沉陷的研究進(jìn)展和成果在國內(nèi)外也是鮮有報(bào)道。

巖土比(基巖總厚度與土層總厚度的比值)作為煤系覆巖層狀結(jié)構(gòu)最為宏觀的特征,對(duì)開采沉陷的發(fā)展過程和最終損害程度都會(huì)產(chǎn)生重要影響。而涉及巖土比的現(xiàn)有研究主要是通過多樣本的巖土比和下沉系數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析,最終給出統(tǒng)計(jì)意義上變化關(guān)系,其研究成果雖然具有一定科學(xué)價(jià)值,但由于所選樣本在地質(zhì)條件(如埋深、基巖結(jié)構(gòu)等)和開采工藝(如開采方法、采厚等)都存在差異,因此在科學(xué)性上還存在一定問題。

鑒于此,本文以陜北榆神礦區(qū)小保當(dāng)井田2－2煤層覆巖為地質(zhì)原型,以多個(gè)代表性鉆孔數(shù)據(jù)資料為依據(jù),在不同埋深水平上構(gòu)建多個(gè)數(shù)值模型,運(yùn)用數(shù)值模擬試驗(yàn)的方法研究在地質(zhì)條件和開采工藝相同的情況下,覆巖巖土比對(duì)開采沉陷的影響規(guī)律,以期進(jìn)一步深化地質(zhì)因素在影響與控制開采沉陷方面的研究。

1 榆神礦區(qū)2－2煤層地質(zhì)賦存條件

2－2煤層作為榆神礦區(qū)內(nèi)主采煤層,位于含煤巖系頂部,厚度0.26～12.16 m,平均6.5 m,傾角不足1°。該煤層埋藏深度總體特征為東淺西深,最淺小于40 m,最深大于580 m,埋深大于200 m的范圍約占60%。

2－2煤層上覆地層自下而上依次是侏羅系中統(tǒng)直羅組(J2Z)、安定組(J2a)、白堊系下統(tǒng)洛河組(K11)、第三系上新統(tǒng)三趾馬組(N2)、第四系中更新統(tǒng)離石組(Q2L)、第四系上更新統(tǒng)薩拉烏素組(Q3S)、第四系上全新統(tǒng)(Q4)。地表被較厚松散層覆蓋,其以現(xiàn)代風(fēng)積沙為主,厚度為0～175 m,平均為30 m,松散層下賦存土層厚度0～30 m,平均厚度為20 m。

2 小保當(dāng)井田鉆孔特征

通過對(duì)小保當(dāng)井田7條勘探線、共12個(gè)地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)資料的編錄與分析,小保當(dāng)井田2－2煤層厚度3.47～9.26 m,平均厚度5.84 m;埋藏深度240～400 m,地表松散層厚度一般5～10 m,最大厚度31 m,松散層下賦土層厚度3.81～102.64 m,平均40 m,覆巖巖土比最大為8∶1,最小為2∶1。

按照250 m、300 m、350 m不同埋深水平,依次選取了XB13鉆孔、52－2鉆孔、XE7鉆孔中的2－2煤層覆巖作為地質(zhì)原型,其主要特征見表1。

表1 代表性鉆孔中2－2煤層覆巖主要特征表

3 不同巖土比對(duì)開采沉陷影響的數(shù)值模擬試驗(yàn)

3.1 不同埋深水平的數(shù)值模型構(gòu)建

以小保當(dāng)井田2－2煤層賦存條件為地質(zhì)背景,以鉆孔XB13、52－2、XE7依次作為250 m、300 m、350 m 3個(gè)不同埋深水平的地質(zhì)原型,按照各鉆孔中2－2煤層覆巖實(shí)際地層層序和巖性進(jìn)行建模。

需要說明的是由于各鉆孔中2－2煤層實(shí)際埋深與對(duì)應(yīng)的埋深水平還存在一定的差異,不利于后續(xù)建模和分析,因此需先將各鉆孔實(shí)際埋深轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的埋深水平?；咀龇ㄊ歉縻@孔中2－2煤層覆巖實(shí)際的地層層序保持不變,各巖(土)層厚度按照式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

式中:hsi——既定埋深水平下,第i層巖(土)層的厚度,m;

hi——第i層巖(土)層實(shí)際厚度,m;

H——實(shí)際埋深,m;

Hs——埋深水平,m。

目前,榆神礦區(qū)以長(zhǎng)壁綜采為主要采煤方法,開采強(qiáng)度很高。大部分礦井的工作面長(zhǎng)超過200 m,開采高度一般為4～5 m,連續(xù)推進(jìn)長(zhǎng)度5000～6000 m。因此,在構(gòu)建數(shù)值模型中,2－2煤層厚度統(tǒng)一取5 m,一次采全高,工作面長(zhǎng)250 m。

以鉆孔XB13為例,按照上述方法,構(gòu)建了250 m埋深水平的2－2煤層覆巖三維數(shù)值模型,見圖1。

圖1 250 m埋深水平的三維數(shù)值模型

3.2 不同巖土比的數(shù)值模型構(gòu)建

基于小保當(dāng)井田2－2煤層覆巖巖土比實(shí)際勘測(cè)的變化范圍,并根據(jù)井田基巖與土層厚度變化的情況做適當(dāng)?shù)难由?得到10組不同巖土比,即2∶1、 3∶1、4∶1、5∶1、6∶1、7∶1、8∶1、1 0∶1、15∶1、20∶1。結(jié)合3個(gè)不同的埋深水平,最終形成30個(gè)不同類型的數(shù)值模型,見表2。

表2 不同巖土比數(shù)值模型類型

需要說明的是在不同埋深水平數(shù)值模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)既定的巖土比對(duì)模型中各巖(土)層的厚度進(jìn)行調(diào)整,見式(2)和式(3),并最終形成用于后續(xù)數(shù)值模擬試驗(yàn)的模型。

式中:hkri——既定巖土比條件下,第i層巖層的厚度,m;

k——巖土比。

3.3 基于FLAC3D的數(shù)值模擬試驗(yàn)

以FLAC3D數(shù)值模擬軟件為試驗(yàn)平臺(tái),對(duì)不同埋深水平和不同巖土比條件下的2－2煤層開采過程進(jìn)行數(shù)值模擬。模型左右邊界定為單約束邊界(取u＝0,v≠0,w≠0,u為X方向位移,v為Y方向位移,w為Z方向位移);模型前后邊界定為單約束邊界(取u≠0,v＝0,w≠0);模型底邊界定為全約束邊界(u＝0,v＝0,w＝0);模型上邊界定為自由邊界,不予約束。

表3 M1系列數(shù)值模型中巖土層物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)FLAC3D數(shù)值模擬軟件中摩爾－庫倫本構(gòu)模型對(duì)材料參數(shù)的要求,選取了飽和單軸抗壓強(qiáng)度等7個(gè)參數(shù),并以3個(gè)代表性鉆孔中的巖(土)層實(shí)際的物理力學(xué)指標(biāo)對(duì)模型中各巖土層的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行賦值。以M1系列數(shù)值模型為例,其數(shù)值見表3。

3.4 試驗(yàn)過程

模擬開采過程中,工作面沿走向方向自右向左(見圖1)逐步推進(jìn)(在模型右側(cè)保留100 m煤柱)。隨著采空區(qū)的增大,地表開始發(fā)生下沉運(yùn)動(dòng)直至達(dá)到充分采動(dòng)。運(yùn)用基于FISH語言數(shù)據(jù)提取程序?qū)?0個(gè)模型的逐步開挖過程中每一步開挖產(chǎn)生的地表下沉量進(jìn)行數(shù)據(jù)提取,以備后續(xù)分析使用。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過對(duì)30個(gè)不同類型的模型進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn),得到在不同埋深水平下不同巖土比與下沉系數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,見表4和圖2。

表4 不同埋深水平下,巖土比與下沉系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖2 不同埋深水平下,巖土比與下沉系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由表4和圖2可知:

(1)在250 m和300 m埋深水平下,下沉系數(shù)都會(huì)隨著巖土比的增大而減小;在350 m埋深水平下,下沉系數(shù)整體上呈現(xiàn)隨巖土比增大而變小的趨勢(shì)(巖土比為2∶1的點(diǎn)除外)。這一結(jié)果與前人從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度得到的研究成果相一致。針對(duì)圖2中3種不同埋深水平下巖土比與下沉系數(shù)的關(guān)系曲線,進(jìn)行非線性擬合,得到如下公式:

埋深水平為250 m:

埋深水平為300 m:

埋深水平為350 m:

式中:q——下沉系數(shù);

k——巖土比。

(2)埋深水平不同,下沉系數(shù)隨巖土比增大而產(chǎn)生的減小幅度不同。埋深水平為250 m時(shí),下沉系數(shù)從0.920(巖土比為2∶1)下降至0.834(巖土比為20∶1),下降了9.34%;埋深水平為300 m時(shí),下沉系數(shù)從0.763(巖土比為2∶1)下降至0.625(巖土比為20∶1),下降了18.08%;埋深水平為350 m時(shí),下沉系數(shù)從0.552(巖土比為3∶1)下降至0.514(巖土比為20∶1),下降了6.88%?？梢?在不同的埋深水平下,巖土比對(duì)下沉系數(shù)的影響程度也不相同,隨著埋深的增加,下沉系數(shù)的減小幅度基本表現(xiàn)為先變大后變小。

(3)埋深水平不同,下沉系數(shù)隨巖土比增大而呈現(xiàn)的變化過程不同。埋深水平為250 m時(shí),下沉系數(shù)隨巖土比增大而呈現(xiàn)出先慢后快的減小過程,且?guī)r土比6∶1是臨界點(diǎn),下沉系數(shù)在巖土比6∶1～20∶1區(qū)段的平均減小率是其在巖土比2∶1～6∶1區(qū)段平均減小率的4倍;埋深水平為300 m時(shí),下沉系數(shù)隨巖土比增大而呈現(xiàn)出先快后慢的減小過程,且?guī)r土比10∶1是臨界點(diǎn),下沉系數(shù)在巖土比2∶1～10∶1區(qū)段的平均減小率是其在巖土比10∶1～20∶1區(qū)段平均減小率的1.57倍;埋深水平為350 m時(shí),下沉系數(shù)隨巖土比增大而呈現(xiàn)出先慢后快的減小過程,且?guī)r土比10∶1是臨界點(diǎn),下沉系數(shù)在巖土比10∶1～20∶1區(qū)段的平均減小率是其在巖土比2∶1～10∶1區(qū)段平均減小率的6.7倍。

(4)試驗(yàn)結(jié)果顯示超過100 m的巨厚土層具有降低下沉系數(shù)的效應(yīng)。當(dāng)埋深水平為350 m,巖土比為2∶1時(shí)對(duì)應(yīng)的下沉系數(shù)僅為0.527,小于巖土比為3∶1、4∶1、5∶1、6∶1、7∶1、8∶1、10∶1時(shí)對(duì)應(yīng)的下沉系數(shù),相較于其他兩個(gè)埋深水平的情形存在明顯差異。對(duì)比3種埋深水平在巖土比為2∶1時(shí)上覆土層的厚度,發(fā)現(xiàn)只有埋深水平為350 m時(shí)上覆土層厚度超過100 m,為117 m(由埋深350 m且?guī)r土比2∶1計(jì)算得到),同理,埋深水平為250 m和300 m時(shí)上覆土層厚度分別為83 m和100 m。根據(jù)夏玉成教授在陜西銅川礦區(qū)的沉陷實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和錢鳴高院士關(guān)于表土層影響關(guān)鍵層的研究成果推斷,這種特殊的現(xiàn)象很可能是厚度超過100 m的巨厚土層所致。

5 結(jié)論

以陜北榆神礦區(qū)小保當(dāng)井田2－2煤層覆巖為地質(zhì)原型,基于區(qū)域地質(zhì)條件和3個(gè)代表性鉆孔數(shù)據(jù)資料構(gòu)建了30個(gè)不同巖土比類型的數(shù)值模型,運(yùn)用數(shù)值模擬試驗(yàn)的方法研究在地質(zhì)條件和開采工藝相同的情況下,覆巖巖土比對(duì)開采沉陷的影響規(guī)律,結(jié)論如下:

(1)在250 m和300 m埋深水平下,下沉系數(shù)都會(huì)隨著巖土比的增大而減小;在350 m埋深水平下,下沉系數(shù)整體上呈現(xiàn)隨巖土比增大而變小的趨勢(shì)(巖土比為2∶1的點(diǎn)除外)。針對(duì)3種不同埋深水平建立了巖土比與下沉系數(shù)的量化關(guān)系。

(2)在不同的埋深水平下,巖土比對(duì)下沉系數(shù)的影響程度不同,表現(xiàn)為下沉系數(shù)變化速度隨埋深增加先大后小的變化趨勢(shì)。埋深水平不同,下沉系數(shù)隨巖土比增大而呈現(xiàn)的變化過程也不盡相同。

(3)基于數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果,超過100 m的巨厚土層具有降低下沉系數(shù)的效應(yīng)。

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Analysis and numerical simulation on the influence of the overlying strata＇s rock-soil ratio on the mining subsidence

Song Shijie1,Zhao Xiaoguang1,Wang Shuangming1,2,Zhang Yong1,3
(1.College of Geology and Environment,Xi＇an University of Science and Technology, Xi＇an,Shaanxi 710054,China; 2.Shaanxi Geological Survey,Xi＇an,Shaanxi 710065,China; 3.Shaanxi Provincial Department of Water Resources,Xi＇an,Shaanxi 710004,China)

Taking the overlying strata of 2－2coal seam in Xiaobaodang mine field in Yushen mining area as geological model,30 numerical models with different rock-soil ratio were structured on the basis of regional geological conditions and 3 typical drillings.With the method of numerical simulation,the effect law of the rock-soil ratio on the mining subsidence was researched under the same geological condition and mining technology.The results showed that the subsidence coefficient would decrease with the increase of the rock-soil ratio at the buried depth of 250 m and 300 m;at the buried depth of 350 m,the subsidence coefficient decreased with the increase of rock-soil ratio as a whole except that the rock-soil ratio was 2∶1.The quantitative relation between the subsidence coefficient and the rock-soil ratio was built under three different depth levels.Under the different depth levels,the degree of the effect of the rock-soil ratio on the subsidence coefficient was different,and with the increase of buried depth,the decrease extent of the subsidence coefficient got bigger before it got smaller.

coal mining,mining subsidence,overlying strata＇s rock-soil ratio,numerical simulation,Yushen mining area

TD822

A

宋世杰(1983－),男,山東省濟(jì)南人,講師,地質(zhì)工程專業(yè)工學(xué)博士。主要從事礦山地質(zhì)災(zāi)害防治與環(huán)境保護(hù)方面的教學(xué)與科研工作。

(責(zé)任編輯 張毅玲)

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41402308),陜西省軟科學(xué)基金項(xiàng)目(2011KRM09),陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(14JK1466),西安科技大學(xué)博士啟動(dòng)金項(xiàng)目(2014QDJ006),西安科技大學(xué)培育基金項(xiàng)目(201308)資助