开采沉陷预计的数值模拟研究

中国矿业大学江苏省资源环境信息工程重点实验室 万红梅 许 晨 叶 霞 徐目圣

开采沉陷预计的数值模拟研究

中国矿业大学江苏省资源环境信息工程重点实验室 万红梅 许 晨 叶 霞 徐目圣

开采沉陷的研究对于国民经济的发展和人民生活的提高具有重要的意义。为了进行现代化建设，需要开采大量的有用矿物，但是开采这些有用矿物产生的开采沉陷，又会反过来影响和破坏岩体和地面上的一些生产和生活设施，影响生产的发展和人民的生活。要想解决好这个矛盾，开展对开采沉陷的研究是十分必要的。本文，笔者尝试将FLAC3D数值模拟技术应用于开采沉陷预计中，采用实际的煤岩物理力学参数作为计算依据，模拟地表下沉与开采煤厚之间的关系，为控制煤层开采后的地表沉陷提供理论依据。

一、数值计算模型

数值计算模型参照的是某矿的具体地质条件，采用FLAC3D建模，并运用软件中的后处理功能分析模型在煤层开挖后预计地表下沉情况。建立的模型尺寸（长×宽×高）为1 080m×1 080m× 600m，其中，开挖煤层的截面尺寸（长×宽）为600m×600m。模型共4层岩层，各岩层的围岩力学参数见表1。

表 1 围岩力学参数

二、数值计算方案

1.数值模型主视表明。在表1所示的围岩力学参数条件下，通过改变煤层厚度，模拟煤层厚度h=2，3，4，5，6，7m时，在采用缓慢垮落、一次采全高采煤方法条件下地表的下沉规律。

2.在这种情况下，改变煤层上赋岩层的体积模量、剪切模量和抗压强度，使其分别取表1所示围岩参数的70%，30%，模拟不同岩性覆岩结构（坚硬、中硬、软弱）条件下的地表下沉规律。

三、模拟结果及分析

1.在煤层厚度h=2m情况下，取表1所示的围岩力学参数，运用FLAC3D算得开挖平衡后，应用其强大的后处理功能，输出开采后的模型各点位移数据，用SURFER8自动绘制煤层开挖后地表的下沉等值线，如图1所示。由图1可以看出，煤层的开采导致了地面的下沉，且最大下沉值为0.94m。

2.在表1所示的坚硬覆岩结构条件下，模拟出地表最大下沉值随不同煤层厚度变化情况。利用回归分析，得到不同煤厚值与地表最大下沉值之间的回归曲线，如图2所示。由图2可以看出，地表最大下沉值随着开采煤厚的增大而增加，且存在着线性关系。回归分析得到的函数满足理论公式：W0=mq cosα，说明数值模拟在一定程度上能够反映地表的沉陷规律。

3.改变表1所示的围岩力学参数，分别模拟出中硬和软弱覆岩结构下，地表最大下沉值随不同煤层厚度的变化情况。不同覆岩结构条件下的煤厚与地表最大下沉量之间的关系如图3所示

由图3可知，随着覆岩力学性质的不断减弱，其煤厚与地表最大下沉值的回归曲线仍旧表现为线性关系，且直线的斜率随着覆岩力学性质的减弱而增加，说明覆岩岩性越弱，在开采相同厚度煤层条件下，地表最大下沉值越大。

四、结论

1.数值结果表明，随着开采煤厚的不断增大，地表的下沉量也在不断增加，且地表下沉量与开采煤厚之间存在线性关系。

2.不同的覆岩结构条件下，地表下沉量与开采煤厚之间存在的线性关系表明，在开采相同煤厚的条件下，覆岩结构力学性质越弱，地表的下沉量越大，直线的斜率越大。

3.以上结论对于煤层开采后，控制地表沉陷具有一定的理论指导意义。