基于不同工作面长度对覆岩移动破坏的数值模拟

王创业，张 琪，李俊鹏，刘 伟

（内蒙古科技大学 矿业研究院，内蒙古 包头 014010）

矿床的工作面长度是影响上覆岩层应力和移动变化的主要因素之一，遭到破坏的覆岩应力需要向新的平衡发展[1-3]，近些年相关专家围绕工作面长度对覆岩破坏和移动进行了研究，文献[4-5]研究表明：覆岩内部应力随着工作面长度的增大而呈指数性增大，液压支架的载荷也显著增加，就目前现代化的采矿工艺来看，布置长距离的工作面有利于减少巷道回采的工作量，提高回采效率，是现代化矿床开采的需要，如今已经受到越来越多企业的重视。本文以内蒙古北山盘陀山钨矿南部矿段为研究背景，通过FLAC3D有限差分软件分析不同工作面长度对矿床上部覆岩及地表的移动和破坏的影响[6-9]，旨在有效的保障矿区安全生产、提高工作面生产效率和保护地表环境。

1 工程概况及数值模型

盘陀山钨矿床位于塔里木板块与哈萨克斯坦板块缝合带南侧，内蒙古北山地区缘内接触带及岩体中部，隆起带中出露地层为中元古界长城系古硐井群，为一套浅海相陆源碎屑岩组合，主要由泥质粉砂岩、粉砂质板岩、花岗砂岩等组成，主要分为北部、中北部、中东部及南部4个钨矿段，其中南部矿床呈缓倾斜板状，倾角小于10°，主要产于石英细脉带中，矿床距地表标高为180～220m，平均厚度为3m，矿体走向长度为55～535m，倾向长度为20～300m，研究内容及模型采用的岩石力学参数见表1。

利用FLAC3D数值模拟软件，本构模型采用库伦摩尔准则，建立走向长度为500m，倾向长度为250m，厚度为180m的模型。x为倾向方向，y为矿层推进方向，z为岩层方向，在距离顶板不同高度的上覆岩层和地表分别布置测点，监测其应力和位移的变化。对模型的底面和四周面的x、y、z面进行约束，上表面为自由面，采用FLAC3D分别对矿层工作面长度为90m、120m、150m、180m工作面推进长度为300m的采空区进行模拟，进而分析开采不同工作面长度对上覆岩层应力和移动变化的影响。

表1 岩石力学参数Tab.1 Rock mechanics parameters

2 模拟结果分析

2.1 应力分析

上覆岩层在自重应力的作用下裂断、破坏和下沉并产生矿压显现，岩块间重新咬合相互挤压铰接形成砌体梁并对上部岩体提供支撑和保护的作用，上覆岩层的应力变化程度直接影响着岩层的破坏程度，对工作面、巷道的安全和回采效率具有非常重要的影响，所以随时掌握岩层间的应力变化进而判断地表沉陷和岩层移动的影响具有重大意义。

盘陀山钨矿上覆岩层岩质坚硬，通过公式（1）和公式（2）分别算出垮落带和导水裂隙带距工作面顶板的距离。

式中：Hd为矿层顶板上部垮落带高度，m；Hk为矿层顶板导水裂隙带高度，m；M为采高，m。

为了更好地了解矿层开采对上覆岩层移动破坏的应力变化，在覆岩的垮落带、裂隙带和弯曲下沉带中沿着工作面推进方向分别布置监测点，得到syy方向的应力进行分析，结果如图1所示。

根据距离矿层顶板不同高度syy方向水平应力曲线，选取在距离顶板13m、65m、100m的上覆岩层所布置的测点，利用测点1、测点2和测点3、测点4的差值的平均值来表示覆岩内部应力变化的情况，进而得出覆岩内部扰动破坏情况。

图1（a）为距离工作面顶板13m的syy方向水平应力曲线，从图中看出应力在工作面推进的过程中发生应力转移，由于四周矿层对上覆岩层的支撑保护作用，在工作面开切眼至推进到停采线处应力最大产生明显的应力集中现象，中部顶板岩层下沉应力变化明显。

图1（b）（c）为距离工作面顶板65m和100m的syy方向水平应力曲线，曲线呈锯齿状而且波动非常大，在开切眼与工作面停采线处的应力集中现象相比于距离顶板13m处有所增高，当开采深度相同时，随着工作面长度的变化，回采对上覆岩层的扰动呈现出不同的特征，在距离顶板的距离相同时，随着工作面长度的增加应力变化的波动程度也在增大，岩层内部受扰动影响强烈。

图1 距离顶板不同高度应力曲线Fig.1 Stress curve of different heights from the roof

表1 syy应力差值Tab.1 syy stress difference

根据在距离顶板不同高度测得应力差值，得出测点在离顶板不同距离应力差值的平均值，结果如表1所示。根据表1的结果显示：随着矿层工作面长度的增加，应力差值的均值是增大的，但是应力差值增大的幅度在减小，这说明矿层开采随着工作面长度的增加对地表的影响在增加，但是增加的幅度是降低的。由此绘制出工作面长度与应力平均差值关系，如图2所示。

图2 距离顶板不同高度的应力差值曲线Fig.2 Stress difference curve of different heights from the roof

通过Origin拟合曲线，用公式表达出工作面长度和应力差值平均值的关系，见式（3）～式（5）。

式中：P为各层的平均应力差值，Pa；L为工作面长度，m。

2.2 地表位移分析

地下工作面开采造成了上覆岩层及地表沉陷，引起地表植被、建筑物、耕地的移动和破坏，通过整理出布置在沿走向方向的地表监测点所得到的地表下沉值，可绘制出不同工作面长度对应的地表最大下沉值如图3。

图3 不同工作面长度对应的最大下沉值Fig.3 Maximum sinking value corresponding to different working face lengths

模拟结果表明：工作面长度是影响地表下沉的重要因素，随着工作面长度的增加，地表最大下沉量增加的幅度呈现降低的趋势，当沉陷区越深时对植被和道路的影响范围就越广，地表积水增加了对工作面发生渗水的可能性。为了更好地了解其关系，现将其拟合，如式（6）所示。

式中：W为地表最大下沉量，mm；L为工作面长度，m。

曲率是地表移动变形的主要指标，对建筑、道路和植被的破坏影响较大，地表拉伸压缩状态对应着曲率的正负值，而拉伸对地表植被的影响较大，这里研究地表的拉伸区状态，所以可以通过曲率变化反映走向断面上的弯曲程度，进而研究地表的移动变形情况。由于在工作面上方地表沉陷近似盆状，选取下沉的一侧为研究对象，根据公式得出在走向方向上，不同工作面长度距开切眼不同距离（280m，300m，320m，340m，360m）对应的地表下沉的正曲率变化如表2，绘制出工作面长度与所得曲率平均值的关系如图4。

研究结果表明：地表曲率变形的动态发展对建筑物的影响也是一种动态的影响过程，随着工作面长度的增加曲率平均值增加，但是曲率增加的幅度在降低。通过工作面长度可以推断出地表曲率的变化程度，分析出地表拉伸区的范围，进而合理的选择栽种植被的品种和范围，增加植被的覆盖率，减少损失，同时对可能产生裂缝的地区要提前加强防治，避免地表水渗透影响工作面的生产效率及发生灾害，对于地表植物栽种、建筑物范围的选择及保护起到了重要作用。

表2 不同工作面长度走向曲率值对比表Tab.2 Curvature comparison chart corresponding to different working face lengths

图4 工作面长度-曲率平均值关系曲线Fig.4 Curve of working surface length and mean curvature

3 结论

（1）在相同的地质和开采条件下，随着工作面长度的增加，应力波动现象明显，上覆岩层所受的扰动和地表下沉量随之增大的幅度在减小，通过覆岩应力的变化的大小，预测覆岩移动和破坏程度，对于降低工作面的损伤避免发生矿山灾害并提高生产效率、安全生产起到重要作用。

（2）建立工作面长度与地表下沉量和曲率的关系曲线，通过曲率的变化分析地表沉陷区的拉伸区和压缩区的范围，对合理选择抗拉强度大的植被，提高植被覆盖率保护生态环境，合理的布置建筑物、农田的范围提供了重要的参考价值，同时对预测地表裂缝并加强防治，避免地表水渗透降低生产效率具有重要的指导意义。

[1] 郭麒麟，乔世范，刘宝琛．开采影响下的岩土体移动与变形规律[J]．采矿与安全学报，2011，28（1）：110-115.GUO Qilin，QIAO Shifan，LIU Baochen．The movement and deformation of soil and rock mass resulted from mining activity[J]．Journal of Mining&Safety Engineering，2011，28（1）：110-115.

[2] 谢广祥，杨 科．采场围岩宏观应力壳演化特征[J]．岩石力学与工程学报，2010，29（增刊 1）：2676-2680.XIE Guangxiang，YANG Ke．Study of macro stress shell evolving characteristics of rock surrounding face[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29（supply1）：2676-2680.

[3] 赵 康，陈斯妮，赵 奎．采动过程金属矿山空区覆岩材料细观破裂特征[J]．地下空间与工程学报，2016，12（4）：920-925．ZHAO Kang，CHEN Shini，ZHAO Kui．Meso-cracking characteristic of overburden strata material over metalmine goaf under mining process[J]．Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2016，12（4）：920-925．

[4] 谢广祥，王 磊．采场围岩应力壳力学特征的工作面长度效应[J]．煤炭学报，2008，33（12）：1337-1340．XIE Guangxiang，WANG Lei．Effect of long wall length on mechanical characteristics of surrounding rock stress shell in mining face[J]．Journal of China Coal Society，2008，33（12）：1337-1340．

[5] 宋选民，顾铁风，闫志海．浅埋煤层大采高工作面长度对矿压显现的影响规律研究[J]．岩石力学与工程学报，2007，26（增刊1）：4007-4013．SONG Xuanmin，GU Tiefeng，YAN Zhihai．Effects of increasing working faces length on underground pressure behaviors of mining super-high faces under shallow coal seam[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26（supply1）：4007-4013．

[6] 刘书贤，魏晓刚，王 伟．深部采动覆岩破断的力学模型及沉陷致灾分析[J]．中国安全科学学报，2013，23（12）：71-76.LIU Shuxian，WEI Xiangang，WANG Wei．Mechanical model of overlying strata rupture caused by deep coal mining and analysis of strata subsidence disaster[J]．China Safety Science Journal，2013，23（12）：71-76.

[7] 许国胜，李德海，侯得峰，等．厚松散层下开采地表动态移动变形规律实测及预测研究[J]．岩石力学，2016，37（7）：2056-2062．XU Guosheng，LI Dehai，HOU Defeng，et al．Measurement and prediction of the transient surface movement and deformation induced by mining under thick alluvium[J]．Rock and Soil Mechanics，2016，37（7）：2056-2062．

[8] 郭广礼，马悦汉，马占国．煤矿开采沉陷有效控制的新途径[J]．中国矿业大学学报，2004，33（2）：151-154．GUO Guangli，MA Yuehan，MA Zhanguo．A new method for ground subsidence control in coal mining[J]．Journal of China University of Mining&Technology，2004，33（2）：151-154．

[9] 梁 冰，石占山，孙维吉．构造应力作用下覆岩卸压演化规律试验研究[J]．安全与环境学报，2014，14（1）：33-37.LIANG Bing，SHI Zanshan，SHUN Weiji．Experiment study of relief evolution of the overlying strata under the effect of the tectonic stress[J]．Journal of Safety and Environment，2014，14（1）：33-37.