薄煤层开采对上覆构筑物基础变形影响的数值模拟研究

王再清，靳晓光，陈智强，邢献军

(1.重庆地质矿产研究院，重庆400042;2.重庆大学土木工程学院，重庆400030;3.重庆市地质矿产勘查开发局107地质队，重庆401120;4.涉县宏大建筑设计有限公司，河北涉县056400)

开采地下矿产资源和保护地面或地下结构物是既矛盾又统一的两个方面。在结构物下方留设保护煤柱是保护结构物免受地下开采影响的一种比较可靠的方法。某拟建风电场工程场地地处七耀山脉之中，场地地层主要为二叠系灰岩和薄煤层。

本文的主要目的是研究煤层开采对风电场风机运行的影响，以提出比较经济、合理的安全煤柱留设范围。依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(2000)、《风电机组地基基础设计规定》(试行)(FD 003－2007)中的相关规定，模拟研究给出以下前提条件:①建筑物按II级保护对象进行考虑，其围护带宽度为15 m。②建筑物荷载按100 kN/m2。③倾斜变形最大值按±3 mm/m(3‰)、水平变形最大值按±2 mm/m(2‰)、曲率最大值按 ±0.2×10－3/m 考虑。④风机塔位基础沉降最大值取200 mm。

表1 数值分析采用的物理、力学参数Tab.1 Numerical analysis with the physical and mechanical parameters

1 平缓或缓倾斜煤层

结合场地缓倾斜煤层的产状特征，以倾角5°的缓倾斜煤层为例，按移动角γ=β=50°－80°(图1)进行开采时，研究薄煤层开采对上覆待建构筑物的影响，以便得出缓倾斜煤层不同埋深情况(煤层埋深按构筑物中部下方煤层埋深计)下合理的开采范围和互不影响的开采深度建议值。

沿煤层倾向(X方向)、煤层走向(Y方向)和煤层埋深(Z方向)建立三维有限元模型，以埋深200 m为例，建立的数值分析模型(X×Y×Z=800×50×450 m)。煤层倾向方向X向位移约束，煤层走向方向Y向位移约束，竖直方向Z向位移约束，采用M－C准则。采用的物理力学参数如表1所列。

下山、上山方向基础下沉最大位移(水平位移很小)随移动角的变化曲线如图2所示，其位移皆在容许范围之内。

煤层埋深为50 m时，按移动角γ=β=80°开采完成后构筑物基础下沉最大位移分别为6.4 mm 和5.7 mm，倾斜变形0.04‰。γ、β 增大时下沉位移快速增大。

煤层埋深为100 m时，按移动角γ=β=80°开采完成后构筑物基础下沉最大位移分别为26 mm和25 mm，倾斜变形0.05‰。γ、β增大时下沉位移快速增大。

煤层埋深为150 m时，按移动角γ=β=80°开采完成后构筑物基础下沉最大位移分别为48.5 mm和47 mm，倾斜变形0.08‰。γ、β增大时下沉位移快速增大。

煤层埋深为200 m时，按移动角γ=β=80°开采完成后构筑物基础下沉最大位移分别为118.5 mm和116 mm，倾斜变形0.125‰。在对γ=β=80°确定的范围按常规设计留设煤柱开采完成后，构筑物基础下沉最大位移分别为130 mm和127 mm，倾斜变形0.08‰。

在移动角γ=β=80°之前，位移随移动角的变化快速增大，在对γ=β=80°确定的范围按留设矿柱开采时，位移按线性缓慢增大。因此，平缓煤层埋深为200 m时，煤层按常规设计留设矿柱开采对风机运行基本无影响。

2 倾斜煤层

结合场地倾斜煤层的产状特征，以倾角25°的倾斜煤层为例，按移动角γ=β=50°－80°情况进行开采时，研究煤层开采对地表风机塔位的影响，以便得出倾斜煤层不同埋深情况下合理的开采范围和互不影响的开采深度建议值。

以埋深150 m为例建立的数值分析模型(X×Y×Z=530×50×450 m)。沿煤层倾向(X方向)、煤层走向方向(Y方向)和煤层埋深(Z方向)建立三维模型，煤层倾向方向X向位移约束，煤层走向方向Y向位移约束，竖直方向Z向位移约束，采用M－C准则。

下山、上山方向基础下沉最大位移(水平位移较小)随移动角的变化曲线如图3所示，其位移皆在容许范围之内。

煤层埋深为50 m时，按移动角γ=β=80°开采时构筑物基础下沉最大位移分别为12 mm和6.5 mm，倾斜变形 0.27‰;最大水平位移分别为6.5 mm 和 4.5 mm，水平变形 0.10‰。下沉位移和水平位移随移动角的增大较快速增大，变化特征较为一致，不均匀沉降较小。

煤层埋深为100 m时，按移动角γ=β=80°开采时构筑物基础下沉最大位移分别为39 mm和32.6 mm，倾斜变形0.32‰;最大水平位移分别为15.9 mm 和 12.0 mm，水平变形 0.20‰。下沉和水平位移随移动角的增大较快速增大。

煤层埋深为150 m时，按移动角γ=β=80°开采时构筑物基础下沉最大位移分别为71.8 mm和61.1 mm，倾斜变形0.54‰;最大水平位移分别为36.1 mm 和32.7 mm，水平变形 0.17‰。

煤层埋深为200 m时，按移动角γ=β=80°开采时构筑物基础下沉最大位移分别为56 mm和53 mm，倾斜变形0.15‰;最大水平位移分别为10.6 mm和10.9 mm，水平变形0.015‰。在对γ=β=80°确定的范围按常规设计留设煤柱开采完成后，构筑物基础下沉最大位移分别为63mm和60 mm，倾斜变形0.15‰;最大水平位移分别为10.4 mm和 11.2 mm，水平变形0.04‰。

在移动角γ=β=80°之前，位移随移动角的变化快速增大，在对γ=β=80°确定的范围按留设矿柱开采时，位移按线性缓慢增大。因此，煤层埋深200 m、倾角为25°的倾斜煤层按常规设计开采时对构筑物正常运行基本无影响。

3 急倾斜煤层

结合场地急倾斜煤层的产状特征，以倾角55°的急倾斜煤层为例，按移动角55°－80°进行开采时，研究煤层开采对地表风机塔位的影响，以便得出急倾斜煤层不同埋深情况下合理的开采范围和互不影响的开采深度建议值。

以埋深150 m为例建立的数值分析模型(X×Y×Z=530×50×450 m)。沿煤层倾向(X方向)、煤层走向方向(Y方向)和煤层埋深(Z方向)建立三维模型，煤层倾向方向X向位移约束，煤层走向方向Y向位移约束，竖直方向Z向位移约束，采用M－C准则。

下山、上山方向基础下沉最大位移和水平位移随移动角的变化曲线如图4和图5所示，其位移皆在容许范围之内。

煤层埋深为50 m时，按移动角γ=β=80°开采时构筑物基础下沉最大位移分别为8.39 mm和3.39 mm，倾斜变形0.25‰;最大水平位移分别为6.5 mm 和4.95 mm，水平变形 0.08‰。下沉位移和水平位移随移动角的增大较快速增大，变化特征较为一致，不均匀沉降较小。当移动角γ=β＞80°时，位移发生突变，且大于基础沉降允许值。

煤层埋深为100 m时，按移动角γ=β=80°开采时构筑物基础下沉最大位移分别为14.5 mm和12.3 mm，倾斜变形0.11‰;最大水平位移分别为8.41 mm 和 7.45 mm，水平变形 0.05‰。下沉位移和水平位移随移动角的增大较快速增大，变化特征较为一致，不均匀沉降较小。当移动角大于80°时，位移发生突变，且大于基础沉降允许值。

煤层埋深为150 m时，按移动角γ=β=80°开采时构筑物基础下沉最大位移分别为27.9 mm和25 mm，倾斜变形0.15‰;最大水平位移分别为14.6 mm 和 12.7 mm，水平变形 0.10‰。下沉位移和水平位移随移动角的增大较快速增大，变化特征较为一致，不均匀沉降较小。当移动角大于80°时，位移发生突变，且大于基础沉降允许值。

煤层埋深为200 m时，按移动角γ=β=80°开采时构筑物基础下沉最大位移分别为26 mm和25 mm，倾斜变形 0.05‰;最大水平位移分别为6.95 mm和6.30 mm，水平变形 0.033‰。

在对γ=β=80°确定的范围按常规设计留设煤柱开采完成后，构筑物基础下沉最大位移分别为51 mm和46 mm，倾斜变形0.25‰;最大水平位移分别为 7.5 mm 和8.3 mm，水平变形0.04‰。

在移动角γ=β=80°之前，位移随移动角的变化增大较快，在对γ=β=80°确定的范围按留设矿柱开采时，位移仍按线性较快增长，但在容许变形范围之内。因此，煤层埋深200 m、倾角为55°的倾斜煤层按常规设计开采时对风机运行影响很小。

4 结论

1)根据水平或缓倾斜煤层的计算分析，可推断煤层的走向移动角δ可提高到80°左右。

2)平缓(或缓倾斜，倾角5°)及倾斜(倾角25°)煤层在埋深150 m范围内，建议按移动角γ=β=80°留设安全煤柱;在煤层埋深大于150 m时，按常规设计(如按设计预留矿柱、开采回填等)开采对风机运行基本无影响。

3)急倾斜(倾角55°)煤层在埋深200 m范围内，建议按移动角γ=β=80°留设安全煤柱;在煤层埋深大于200 m时，按常规设计(如按设计预留矿柱、开采回填等)开采对风机运行影响很小。

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