多工作面开采岩层移动及地表沉降规律研究

韩文斌，李文强，陈 宇

（1.山西省交通规划勘察设计研究院有限公司，山西 太原 030032；2.中国地质大学（北京） 工程技术学院，北京 100083）

目前数值模拟方法在研究大规模岩土工程方面有着广泛的应用[1]。FLAC3D是一种基于拉格朗日算法的连续介质力学分析软件，在面对复杂地质条件时，该软件可以很好地分析岩土体变形、破坏、失稳的过程[2-4]。本文应用FLAC3D模拟丰汇煤矿多个工作面的开采过程，分析多工作面不同期开采对岩层移动规律与地表变形特征的影响，可以对多工作面开采提供理论指导和技术支持。

1 工程概况

丰汇煤矿主要含煤地层为石炭系太原组（C3t），可稳定开采煤层为15号煤，开采平均厚度为5 m，煤层倾角5°～7°，属缓倾斜煤层，煤层埋深范围320～540 m。本文研究丰汇煤矿15号煤的15个工作面的开采过程，各工作面均采用自由垮落法管理顶板，一次性采全高。各个工作面的大小和停采时间见表1。

表1 开采工作面大小和停采时间统计表

2 数值模型建立

基于地质勘探资料，确定该次数值模拟计算的模型范围，模型在东西方向上长5 300 m，南北方向上长3 600 m，见图1。由于模型范围较大，故选用以六面体单元为主的混合网格单元，最小单元尺寸为10 m。计算网格模型见图2。

图1 研究区地表等高线及模型范围示意图（单位：m）

图2 三维地质模型示意图

本文利用FLAC3D模拟各工作面开采过程，本构模型采用摩尔库伦模型。根据工程地质条件，确定岩层物理力学参数，计算参数如表2所示。

表2 岩层计算参数取值表

3 多煤层岩层移动及地表沉降规律研究

3.1 多煤层开采岩层移动分析

按照表1开采顺序对各个工作面依次进行开采，多工作面开采覆岩竖向移动结果如图3所示。小尺寸工作面（工作面603见图3a）开采完成后，工作面顶板形成“板状结构”，采空区在“板状结构”的支撑作用下，顶板沉降量较小，仅能产生0.5～0.65 m下沉量。随着大尺寸工作面（工作面15101、15103、15105、15201、15109，见图3b～图3f）的开采，先前稳定的覆岩结构被不断破坏，直至工作面开采结束，最终形成稳定的覆岩结构。相邻工作面的开采会引起岩体的再次扰动，覆岩结构随多次扰动产生形变，并向上扩散。

图3 沿各工作面走向方向中央剖面Z向位移云图

3.2 多煤层开采地表沉降分析

工作面尺寸对地表沉降影响较大，小尺寸工作面（工作面603见图4a）对地表沉降影响较小，大尺寸工作面（工作面15101、15103、15105、15201、15109）的开采对地表沉降盆地形态影响显著。15201工作面（见图4e）开采结束后，沉降盆地进一步扩大，地表最大沉降值达4.06 m，同时盆地内部发育了新的子沉降盆地。开采结束后，地表沉降盆地范围达到最大，地表最大沉降量为4.5 m。

图4 开采部分工作面诱发地表沉降等值线图（单位：m）

由于各个工作面之间相隔较近，工作面开采后覆岩移动会受到相互影响，主要表现为后续相邻工作面的开采会造成已经稳定的覆岩结构进一步破坏，使得已沉陷地表进一步下沉和地表沉陷盆地最大下沉点进一步偏移。随着开采推进，地表沉降值不断增加，总体上呈现出沉降盆地的特点。此时计算得到下沉系数为0.9，该数值与山西省境内类似地质条件矿区的地表实测值近似，阳泉矿区下沉系数为0.83[5]，平朔矿区9001工作面下沉系数为0.85[6]，表明数值模拟计算结果可靠。

4 结语

本文以丰汇煤矿15号煤多工作面为研究对象，开展了多工作面开采重复扰动下岩层移动及地表变形研究，主要结论如下：

a）小尺寸工作面（工作面603）开挖后煤层顶板的下沉量较小，会形成四周固支的“板状结构”，而不发生断裂。大尺寸工作面（工作面15101、15103、15105、15201、15109）开挖后，由于上覆岩层荷载的作用，直接顶垮落，在开切眼与停采线附近会形成“简支梁”结构，残留一定空洞区域。

b）相邻工作面的开采会加剧影响，主要表现为后续相邻工作面的开采导致先前已经稳定的覆岩结构会发生进一步破坏，地表沉降盆地最大下沉点发生偏移。

c）受地形影响，地表沉降盆地中心会偏向地形较高的一侧，在埋深不同的条件下，地表沉降盆地会产生两个子沉降盆地。