重复采动下覆岩变形数值模拟

刘树新，孙会龙

(内蒙古科技大学 矿业研究院，内蒙古 包头 014010)

重复采动下覆岩变形数值模拟

刘树新，孙会龙

(内蒙古科技大学 矿业研究院，内蒙古 包头 014010)

基于该煤矿的地质资料，采用FLAC3D[1]数值模拟软件建立该煤矿的双煤层重复采动的数值模型，模拟研究覆岩的变形情况，并分析上部覆岩在重复采动过程中垂直应力的变化情况[2]。模拟结果表明：重复采动可重复扰动覆岩稳定，加剧覆岩变形破坏，并引起原覆岩裂隙的再发育，进而可能形成瓦斯和地下水的导通通道，危及煤炭安全生产；另外，重复采动使覆岩的垂直应力减小，变形更加明显，裂隙发育速度更快。

重复采动；FLAC3D；覆岩裂隙；垂直应力；变形位移量

煤矿开采必然破坏采场围岩的稳定状态[3]，从而使围岩裂隙受扰动得到进一步发育而开始彼此延伸、连接，形成大量导水通道。若导水通道导通了地下含水层，将可能导致矿井水害的发生，影响煤矿安全生产。通过FLAC3D模拟[4]采动后垂直应力和变形位移的变化情况，能大致分析出煤层开采后覆岩裂隙的破坏发育规律。而重复采动的影响[5]对覆岩裂隙的发育更具有促进作用，从而增大覆岩裂隙变形位移量，波及范围更加广泛。所以在开始复采前开展此项模拟研究具有重要的实践意义，能够提前预知覆岩裂隙变形运动的大致情况，做好灾害防治工作，对于煤矿安全生产具有极其重要的作用[6]。

1 模型参数选取

根据该近水平煤矿综采工作面钻孔柱状资料，分析各分层基本参数，建立了与实际情况基本吻合的地质计算模型，如表1所示，煤2埋深289m，煤厚3m，直接顶为厚8m的砂质泥岩，基本顶为厚15m的细粒砂岩，关键层为厚33m的中砂岩；煤1埋深为358m，煤厚3m，直接顶为厚19m的砂质泥岩。

根据矿井地质勘探资料提供的地质柱状图，可得到要进行数值模拟计算部分的地层分布及主要力学参数，如表1所示。

表1 模型主要地层及岩性参数

2 计算模型建立

运用FLAC3D建立尺寸为200×50×220的数值模型，另外模型上部外力场选择4.5MPa压应力进行模拟上部180m厚的上覆岩层压力；开挖长100 m，分别在煤2直接顶(51，25，119)、(100，25，119)、(170，25，119)和关键层(51，25，200)、(100，25，200)、(170，25，200)布置观测点，模拟过程中记录观测点垂直应力和变形位移量[7]；对模型左右、前后和下部设立约束条件，这就表示只有上边界是自由面；最后规定，取向下为负方向，包括位移和应力。

3 数值模拟结果

模拟记录煤2单独开采100m时观测点的垂直应力和变形位移情况；随后进行对煤1的开采，记录复采100m时观测点的垂直应力和变形位移情况，见图1～图4，分析图形结果，得出相应结论。

图1 单采时观测点垂直应力

图2 复采时观测点垂直应力

图3 单采时观测点变形位移

图4 复采时观测点变形

根据折线图像，记录观测点各阶段的变化情况，如表2～表5所示(应力负号表示为压应力；变形位移负号表示位移方向向下)。

表2 单采时直接顶变化参数

表3 复采时直接顶变化参数

表4 单采时关键层变化参数

表5 复采时关键层变化参数

4 理论计算验证

假设该煤层顶板岩层可以看做Winkler地基模型[4]，采空区范围为2a和2b，引用岩层位移变形量公式可以得出岩层一点(a，Z)上的应力在(x，y)处引起的下沉位移量(以观测点(100，25，119)、(100，25，200)为研究对象进行验证)：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

带入已知数据和分步计算数据，可以大致求得观测点实际位移下沉量近似值，见表6。

5 结 论

(1)对比模拟结果与理论计算结果可以看出，岩层位移下沉量相差不大。这说明本次模拟不管是建模还是开挖过程都比较合理，模拟结果基本准确。

(2)基于该研究煤矿已有的工程地质资料，本文采用FLAC3D软件建立了双煤层重复采动的数值模型，模拟研究了覆岩在复采条件下垂直应力和变形位移基本变化情况。模拟的结果显示：重复采动可重复扰动覆岩稳定，加剧覆岩变形破坏，并引起原有覆岩裂隙的再发育，进而可能形成瓦斯和地下水的导通通道，危及煤炭安全生产。

(3)根据模拟的变化参数可以看出，复采能够明显地影响直接顶垂直应力，使其有一定幅度地变化[9]。

(4)对比直接顶和关键层的变化参量可以看出，关键层受复采影响的敏感度远小于直接顶，所以在后续开采过程中注意对顶板的保护，维持关键层的稳定[10]。这对于保护井下安全作业环境有极其重要的作用。

[1]孙书伟，林 航，任连伟.FLAC3D在岩土工程中的应用[M].中国水利水电出版社，2011.

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[3]苏仲杰.采动覆岩离层变形机理研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2001.

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[6]姚邦华，周海峰，陈 龙.重复采动下覆岩裂隙发育规律模拟研究[J].采矿与安全工程学报，2010，27(3)：443-446.

[7]黄乐亭.开采沉陷力学的研究与发展[J].煤炭科学技术，2003，31(2)：54-56.

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[10]王永倩.重复采动地表沉陷和生态环境治理研究[D].合肥：安徽建筑大学，2016.

NumericalSimulationofOverlyingStrataDeformationunderRepeatedMining

LIU Shu-xin，SUN Hui-long

(Mining Research Institute，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China)

Based on geological data of the coal mine，the numerical model under double coal seams repeated mining of the coal mine was built with FLAC3Dnumerical simulation software，and overlying strata deformation was studied，and vertical stress variation of overlying strata during minging process was studied.The studied results showed that the overlying strata stability could be disturbed repeated under repeated mining ，then overlying strata deformation would be seriously and overlying strata fractures would developed again，and transporting channels of gas and underground water would be formed，and mining safety would be influenced，others，the vertical stress of overlying strata would be deceased under repeated mining，deformation would be more seriously and fractures developed more quickly.

repeated mining；FLAC3D；overburden fractures；vertical stress；deformation displacement amount

2017-06-23

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.06.021

国家自然科学基金资助项目(51264028);内蒙古高等学校科学研究项目(NJZY11147)

刘树新(1971-)，男，内蒙古丰镇人，教授，主要从事岩石力学与矿山安全方面的教学和研究工作。

刘树新，孙会龙.重复采动下覆岩变形数值模拟[J].煤矿开采，2017，22(6)：85-87，73.

TD325.1

A

1006-6225(2017)06-0085-03

潘俊锋]