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232001；2. 皖北煤电集团公司，安徽 宿州234000；3. 安徽省淮南市规划设计研究院，安徽淮南232001）

摘要： 运用FLAC3D软件，对百善煤矿6123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：FLAC；沉陷；数值模拟

中图分类号：TD32文献标识码：A[WT]文章编号：16721098(2008)02000605

Numerical Simulation Prediction Study of Surface Subsidence Caused by Coal Min ing Under the Bank of Nantuo River

LI Min HU Kui CHEN Zhuo瞦iu YANG Rui

(1. School of Earth and Environmental Science, Anhui University of Science and T echnology, Huainan Anhui 232001, China; 2. Wanbei Coal and Electricity Group Com pany, Suzhou Anhui 234000, China; 3. Anhui Institute of Layout in Huainan, Huain an Anhui 232001, China) Abstract: Movement and deformation of Nantuo River bank (taking the south bank a s example) caused by the first mining longwall 6123 in Baishan Mine was simulate d by FLAC3D. Comparing the simulation results with in瞫itu survey, the b asic cha racteristics and behavior of the earths surface movement were educed. The resu lts have some guidance in mining under the river bank and provide scientific bas is for the river bank subsidence treatment.

Key words:FLAC；subsidence；numerical simulation

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［1］，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6123工作面概况

皖北煤电集团百善煤矿6123工作面走向长约为1 000 m，倾向长约为100 m，面积约11.0万 m 平均采厚3 m，平均采深157.4 m，平均倾角10°。南沱河横穿该工作面上方，由西向东穿越， 越境长度为790 m， 两岸河堤之间平均距离为204 m， 南堤距离开切眼400 m（见图1）。

2数值模型的建立

2.1FLAC3D简介

FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是由美国Itasca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［2］。ネ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， 以工作面倾向为玐方向，长度为500m， 以走向为玒方向,长度为1 000 m，以竖直方向为玓方向 ，高度为 216.61 m。取河堤高度4 m，顶宽10 m，坡度1∶3。模 型尺寸为500 m×1 000 m×216.61 m，共有71 300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20 m布置一个监测点，点号 分别为0，1，2……，24，25，共计26个监测点以监测南堤及地表移动的演化过程。

2.3Mohr睠oulomb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Mohr睠oulomb准则［3］，原理描述见 图3。用Mohr睠oulomb破坏准则描绘从点A到点B破坏包络线f﹕=0即：f

图3Mohr睠oulomb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 性模量獷，简称为弹模。通常情况下,岩体的弹模为岩块弹模的1/7～1/20。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1/10倍，模拟的具体参数见表1［4］。表1采区上覆岩层岩性参

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

σ璿=γH,σ環=[SX(]v[]1-v[SX)]γH

式中：玽为上覆岩层的泊松比；γ为上覆岩石的重力密度,kg/m；獺为单元立 方体所在的深度，m。

模型的边界条件如下：

模拟结果如图4～图5所示。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

南堤动态移动与变形曲线如图6～图10所示。

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6南堤下沉曲线图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7南堤纵向倾斜变形曲线图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9南堤纵向水平移动曲线图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10南堤纵向水平变形曲线图从图6～图10中可以看出：南堤最大下沉点在13～14之间，最大下沉值为2.998 m，影响范围 的点号为4～24。

(1) 当工作面推进到位置1、2(距离堤坝350 m和200 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100 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17～23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17～23点之间，最大水平拉伸变形值为11.8 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—影响剧烈—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14号点，最大下沉值为3.203 m。数值模拟 结果与其相比，下沉值最大差为205 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11。

图11南堤下沉实测图5结论

(1) 用FLAC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。FLAC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) FLAC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，1991：5760.

［2］尹尚先，汪益敏.采矿工作面推进的FLAC数值模拟［J］.华南理工大学学报( 自然科学版)，2003，31(1)：124126.

［3］刘波.FLAC原理、事例与应用指南［M］.北京：人民交通出版社，2005：19 20.

［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，2 003，(23)：1117.

［5］蔡美峰.岩石力学与工程［M］.北京：科学出版社，2002：129132.

(责任编辑：宋晓梅)