基于DDA方法的8101工作面开采沉陷数值模拟分析

李 涛

(潞安环能股份公司 王庄煤矿，山西 长治 046031)

王庄煤矿是一座大型高产高效现代化矿井，核定生产能力达710万t/a，主采山西组3号煤层，煤层均厚6.5 m。由于王庄煤矿特定的水文地质条件，以及厚煤层现代机械化高强度开采，势必引起更为剧烈的地表移动和变形，对上覆建(构)筑物、道路等造成破坏，为进一步完善和掌握一次采全高条件下地表沉陷规律与覆岩破坏动态演化，开展3号煤层工作面的开采沉陷数值模拟研究具有重要意义，将为矿井生产提供科学指导。

块体系统不连续变形分析(DDA)是基于真实岩体结构的非连续性而提出的一种数值计算方法，能够计算块体系统不连续面的滑动、开裂及旋转等非连续介质位移、变形等问题，已经广泛应用于矿山、滑坡、大坝等工程的破坏过程模拟分析[1-3]。本文以王庄煤矿8101工作面为例，在充分考虑岩体节理真实结构的基础上，对工作面回采所引起的地表沉陷规律进行模拟分析。

1 8101工作面地质概况

8101工作面位于王庄煤矿后备区81采区，主采二叠系3号煤层，平均采深380 m，煤层均厚6.3 m，煤层倾角3～7°，工作面走向长866～936 m，倾向长270 m，采用一次采全高综采放顶煤采煤工艺，全部垮落法管理顶板。煤层直接顶为泥岩或泥质砂岩，老顶为泥岩；直接底为泥岩，老底为细粒砂岩。煤层综合柱状岩层分布，见表1。工作面地质构造较复杂，区域内发育5条正断层，分别为F286、F287、 F288、 F289和F296，最大断层落差6 m，其中F286～F289断层构造对8101工作面回采影响程度较大。

表1 煤层综合柱状岩层分布

2 DDA数值模拟构建

非连续变形分析(DDA)是采用幂级数多项式位移函数来模拟岩石块体的变形，以多项式系数为基本未知量利用变分原理建立整体平衡方程，在求解过程中严格满足块体间无张拉、无嵌入的接触条件，该方法不仅允许块体本身变形，还允许块体间有滑动、转动、张开等运动形式，非常适合分析系统中非连续大变形的情况[1-3]。DDA应用到矿山地表移动数值模拟分析，是以自然存在的岩体被结构面切割生成不同的块体单元，当块体系统中每个块体的几何条件、边界条件及力学条件确定后，由DDA就可以计算块体系统中每个块体的位移、应变及应力，从而确定块体间相对移动和滑动[4]。

为了提高数值模拟的准确性，选取具有代表性的局部区域进行模拟，根据地质资料将实际开采情况简化为沿巷道走向的二维平面应变块体模型，模型尺寸长800 m，高为450 m。模型底面和侧面均固定约束，取上覆岩层的近似平均容重ρ=2.6×103kg/m3，为了模拟上覆岩层自重作用模型底面可近似为均布荷载作用，即：σ=ρgH=2.6×103×10×450=11.7 MPa(式中：H为模型所取煤层埋深)，所取岩层力学参数选择，见表2。本次数值模拟计算是为了观测深部开采条件下上覆岩层的移动破坏及地表沉陷规律，主要考虑穿过断层时的影响。因此计算模型选取了8101工作面一个有特点的区域，包含了五条断层，如图1。为了更好地模拟矿井真实回采进度，按照王庄煤矿及周边矿井已有相似采煤工艺回采经验，模型平均回采推进速度确定为2.8 m/d。

图1 沿开采走向数值模拟示意

3 8101工作面开采沉陷数值模拟分析

模型中煤层的模拟开采是根据现场实际情况而制定的，通过DDA模拟不同开挖步骤，初步分析和得出工作面开采过程中上覆岩层移动及地表沉陷规律，模拟结果如图2。从图2可以看出：

图2 开采过程中上覆岩层移动及地表沉陷规律

1) 工作面推进100 m时，由于采空区的出现，采空区上覆岩层将卸压，此时采空区的上覆岩层以前承受的荷载将主要由采空区的直接顶及前后未开采的两个端头来承载，直接顶起着“关键层”的作用。此时，采空区周围的应力场为较小的类似椭圆形状的应力场。特别要注意的是，在前后方的断层附近出现了很大的应力集中区。这个阶段由于采空区范围较小，在采空区上方只出现了离层现象，但沉陷并未明显波及到地面，如图2(a)。

2) 当工作面推进200 m时，由于穿过F287断层，可以看到前面在断层附近积累的应力集中只有很小一部分得到释放，并且在断层局部区域出现明显的垮落现象。上覆岩层已经开始垮落，上方并出现离层现象，如图2(b)。由于此时开采通过断层，所穿过的断层附近的应力集中会转移到别的区域，远离工作面的断层会出现更大的应力集中。椭圆形的应力场在水平和垂直方向随着回采的推进也均产生扩展。由于采空区范围增大，并且受到断层的影响，离层范围增大，大致在采厚的2～4倍范围，地表开始发生局部沉陷，局部沉陷主要发生在采空区上方区域。

3) 当工作面推采距离到400 m时，完全穿过F287和F288两个断层，并将要在前方碰到F289断层，此时的应力集中非常明显，主要集中在前方F289断层附近。因此，在靠近断层时，需要提高液压支架支撑力，防止发生冲击地压。由于此时采空区较大，导致采空区塌陷区域较大，传播到地表时，沉陷较为严重，见图2(c)。

4) 当工作面推进500 m时，采空区穿过F287、F288、F289三条断层。应力集中区往后发生转移，且又返回集中在断层附近。此时岩层塌落严重，并且诱发地表沉陷严重。地表沉陷处不再是规则抛物线形，有局部区域出现隆起现象，见图2(d)，隆起区域都集中在断层露头周围。此时椭圆形应力场进一步扩大。

5) 当工作面推进到600 m时，岩层塌落已经很严重，尤其是在断层附近，所诱发地表沉陷很严重，并且地表沉陷区断层附近隆起区域进一步扩大。此时椭圆形应力场在水平方向上扩大，在垂直方向上基本不变，如图2(e)。这也表明此时发生冲击地压的可能性不大，但塌陷却很严重。因此在工作面回采通过该区域时，要防治大面积的岩层塌落，要提前做好防范准备，提高液压支架支撑力。

综上所述，断层对沉陷的影响很大，在开采通过断层时，断层附近的应力场出现了很大的变化，椭圆形应力场不是直接随着开采扩大，而是在断层附近应力升高，积聚了大量的能量。随着开采的进一步推进，由于断层的积聚能量释放出来，椭圆形的应力场又随着开采的推进而扩大，变化也趋于稳定。而这些积聚的能量的释放，将有可能导致地表发生大面积塌陷。

4 结 语

1) 8101工作面回采初期，关键层为采空区上方直接顶，而随着回采进程的不断推进，采空区面积不断增大，所担负承载的关键层也随着应力场分布变化垂直向上移动，直至地面。

2) 待工作面推进200 m时，工作面穿过F287断层，断层附近出现明显垮落，且受到断层影响，离层范围增大，且延伸至地面，地面出现局部沉陷。

3) 断层的存在对采空区上覆岩层的变形和破坏影响较大，所诱发的地表沉陷更为严重，并且地表沉陷区断层附近隆起区域进一步扩大，且造成应力变形集中，而随着工作面推进远离断层，应力集中发生转移。