条带开采下地表沉陷变形影响因素数值模拟分析研究①

邓鹏江

(煤科集团沈阳研究院有限公司,辽宁 沈阳 110000)

0 引 言

根据国家统计公布的数据显示，2018年我国能源消耗总量56.3亿吨标准煤，其中煤炭消费总量占据能源消耗总量的61.7%[1]，煤炭占主导的能源消费结构短期不会发生改变，随着我国几十年无节制的开采，我国正面临着煤炭枯竭的局面。而铁路、水体、建筑物下(简称“三下”)压煤量巨大，据不完全统计，我国“三下”压煤总量达到178亿吨以上，其中建筑物下压煤量占到67%，而建筑物压煤主要为村庄建筑物、输电线路[2]。随着煤炭资源的枯竭和开采强度、范围的不断增大，建筑物下采煤成为趋势，因此导致开采区地表沉陷面积不断扩大，人地土地需求矛盾不断增大，开采区地表土地资源的再利用成为急迫需要解决的问题。

地下采煤破坏了岩层结构的整体性，使的采空区上部岩层承载力下降，采空区上覆岩层受到重力的作用从下而上形成“三带”，从采空区逐步垮传达到地表，若在采空区地表修建大型建筑物，使其载荷附加应力可能传递到冒落带、裂隙带，造成岩石间空隙重新被压实，使采空区地表重新发生移动变形，破坏建筑物地基的稳定性，严重的影响到人民群众的生命财产安全。因此研究老采空区地表移动变形规律，对合理利用采空区地表土地，缓解土地资源紧缺、增加土地的综合使用效率，揭示煤层开采地表的移动变形与上覆岩层变化规律，更加优化煤层开采方案，使其煤层资源得到最大的合理开发和利用，以及维护煤炭资源的持续开发利用和保障国家能源安全都具有重要的研究意义。

1 研究区地质概况

以古城煤矿为研究对象，该矿位于兖州市以东、曲阜市以西，开采储量9.567Mt，现有开采能力0.8Mt/a。该矿地表建筑物主要为村庄建筑物、小厂和公路及其附属建筑设施。该矿山西组和太原组为含煤地层，区内共有7层可采煤层，总厚度12.68m，主采煤层以山西组3#煤为主，平均煤层厚度8.6m，山西组煤层埋深80～320m，平均煤层倾角15°，由于3#煤层赋存条件较好作为主采煤层，因此将3#煤层作为此次的研究对象。

2 建立数值模拟模型

采用FLAC3D 数值模拟软件进行模拟研究，主要研究不同开采因素对地表沉陷变形的影响规律。根据研究需要简化计算模型，将岩石作为均质，各向同性的连续体，模型为中间区域紧密，四周疏松的计算模型方式，煤层倾角为0度，模型X轴长度为1480m，Y轴1240m，Z轴768m，暂不考虑构造应力对原岩应力的影响，仅考虑岩体自重应力场。各岩石物理力学参数见表1，模型见图1。

表1 岩层岩石物理力学参数表

图1 地表变形沉陷计算模型示意图

3 数值模拟结果及分析

3.1 留宽对地表沉陷和水平变形的影响关系

条带开采留宽为别为80m、100m和120m情况下，地表沉陷和水平变形的数值模拟结果如图2，图3所示。当采宽为100m不变的情况下，保留煤柱能够较好的控制条带开采的上覆岩层，上覆岩层的移动变形基本为本次开采的移动变形。随着留宽的不断增大，所保留的煤柱就面积越大，煤柱所能控制采出条带上覆岩层的能力就越强，即煤柱的稳定性逐渐增强，在同等应力作用下顶板的弯曲程度就越小，煤柱所能承受上覆岩层的自重载荷也逐渐增强，对地表的扰动就越小，所引起的地表沉陷和水平变形就越小。表现为当开采宽度不变的情况下，增加留宽即减小煤层的采出率，地表的沉陷值和水平变形值随着采宽的增大而减小。

图2 不同开采留宽条件下地表沉陷值曲线

图3 不同开采留宽条件下地表水平变形值曲线

3.2 采宽对地表沉陷和水平变形的影响关系

为模拟研究不同采宽条件下地表沉陷和移动变形规律，当留宽为100m不变的情况下，工作面采宽分别为80m、100m、120m的地表沉陷和水平移动变形的数值模拟结果见图4、图5。可以看出当留宽为100m不变的情况下，增大采宽及增加煤层的开采率，所造成的煤柱面积逐渐降低，稳定性减低，对条带开采的上覆岩层的能力作用减低，煤柱所承受上覆岩层的自重载荷逐渐增大，在相同的应力作用下顶板的弯曲程度逐渐增大。随着采宽的增大，上覆岩层的下沉移动变形相关影响且相互叠加作用发展到地表。即随着采宽的不断增大，地表的沉陷值和水平移动变形值也逐渐增大。

图4 不同采宽条件下地表沉陷值曲线

图5 不同采宽条件下地表水平变形值曲线

3.3 采深对地表沉陷和水平变形的影响关系

为研究采深对地表沉陷和水平移动变形的影响规律，本次模拟当采宽、留宽都为100m，采深分别为500m、600m、700m的情况下的数值模拟结果见图6、图7。可以看出，当留宽和采宽不变的情况下，随着采深的不断增大，地表的沉陷值和水平移动变形值逐渐减小，但地表沉陷的范围逐渐增大，地表的沉陷曲线逐渐变的更加平缓。随着开采深度的逐渐增大，地表沉陷的盆地区域面积逐渐增大，但地表沉陷值和水平移动变形值随着开采深度的增大而逐渐减小。地表沉陷的区域越大、沉陷速率均匀对地表沉陷区上方的建筑物的倾斜、变形影响就越小。因此，对煤层采用深度条带开采的方式，能在一定程度保护开采区地表建筑物。

图6 不同采深条件下地表沉陷值曲线

图7 不同采深条件下地表水平变形值曲线

3.4 松散层厚度对地表沉陷和水平变形的影响关系

为了研究松散层厚度对地表沉陷和水平移动变形的影响规律，本次研究当采高、留宽都为100m不变的情况下，松散层层厚分别为40m、70m、100m的数值模拟结果见图8、图9。当采用条带开采时，条带覆岩中厚硬基岩会形成关键层，保留煤柱和关键层共同控制上覆岩层的移动变形。而松散层由于强度较低，不能起到关键层的作用而只能载荷作用在基岩上。但是由于基岩较薄，起到的关键层作用相对较弱，即承载外力的能力较弱。随着松散层厚度的增加，作用在保留煤柱和关键层的载荷就越大，对其的压缩量就越大。当其承载能力大于实际荷载大小时，就会发生关键层断裂、保留煤柱塑性区联通，对上覆岩层的支撑作用就会明显减小，传达到地表就表现为地表沉陷值和水平移动变形值就越大。

图8 不同松散层厚度条件下地表沉陷值曲线

图9 不同松散层厚度条件下地表水平变形值曲线

3.5 采高对地表沉陷和水平变形的影响关系

本次研究当采宽、留宽、采深和松散层相同，采高分别为3m、4m、5m条件下的数值模拟结果见图10、图11。由图可知随着采高的增加，地表的最大沉陷值呈小幅度增加的趋势，随着采高的不断增加，所保留煤柱的留宽与采高之比逐渐减小，保留煤柱的稳定逐渐降低，保留煤柱所能承受的载荷能力随着采高的增加而不断降低，而其所受的压缩量也将增大。当其承载能力大于实际荷载大小时，就会发生关键层断裂、保留煤柱塑性区联通，对上覆岩层的支撑作用就会明显减小，传达到地表就表现为地表沉陷值和水平移动变形值就越大。

图10 不同采高条件下地表沉陷值曲线

图11 不同采高条件下地表水平变形值曲线

4 正交试验对开采因素重要性分析

4.1 正交试验设计

根据上文的数值模拟结果和开采经验可以得出采高、松散层厚度、采深、采宽、留宽是影响地表沉陷移动变形的主要影响因素，为确定影响因素的顺序和大小。本文根据数值的结果，选取5个影响因素的5个水平，选择L25(56)正交表来安排实验，共设计25个模拟方案，各影响因素选取的水平分别为：采高(2,3,5,7,8)，松散层厚度(20,30,40,50,60)，采深(300,400,500,600,700)，采宽(30,35,40,45,50)，留宽(10,20,25,30,40)。

4.2 试验结果分析

为确定影响因素的主次顺序，本文采用极差方法对试验结果进行分析，其中极差R越大表示该影响因素对试验结果越敏感，起到的影响就越大，否则反之，正交试验结果表1。

表1 影响因素最大沉陷值正交试验结果极差分析

根据正交试验结果分析可知，在模拟条件下5个影响因素对地表的最大沉陷值的影响主次顺序为：留宽>松散层厚度>采宽>采高>采深。留宽对地表沉陷移动变形的影响程度最大，采深对地表沉陷移动变形的影响程度最小。说明留宽对控制地表沉陷起到至关重要的作用，而采深对地表沉陷量的大小的不敏感。

5 结 论

1) 当开采宽度等其他条件不变的情况下，随着煤层开采留宽的增大，地表沉陷值逐渐减少、沉陷盆地的范围逐渐变小，最大下沉点位于地表沉陷区域中心位置，地表的水平移动值也随留宽的增大而减少。

2)当留宽等其他条件不变的情况下，增加采宽即增加煤层开采的采出率，地表的沉陷值和水平移动变形值随着留宽的增大而增大。

3)当采宽、留宽等其他条件不变的情况下，随着开采深度的逐渐增大，地表沉陷的盆地区域面积逐渐增大，但地表沉陷值和水平移动变形值随着开采深度的增大而逐渐减小。地表沉陷的区域越大、沉陷速率均匀对地表沉陷区上方的建筑物的倾斜、变形影响就越小。

4)在其它因素保持不变的条件下，随着松散层厚度的增大，地表沉陷值和水平移动值减小，但沉陷盆地的范围增大，最大下沉点位地表沉陷区域中心位置。

5)在其它因素保持不变的条件下，随着采高的增加，地表的最大沉陷值呈小幅度增加的趋势，地表沉陷值和水平移动变形值逐渐增大。

6)在正交试验的模拟条件下，5个影响因素对地表沉陷移动变形影响程度的主次顺序为：留宽>松散层厚度>采宽>采高>采深。