FLAC 在矿区地表沉降测量数据分析中的应用

庞广彦

（菏泽市测绘研究院 山东菏泽 274000）

1 引言

随着人们生活水平的提高，煤炭资源需求量越来越大，浅部煤炭资源越来越少，矿区采煤逐渐向深部延伸，深部开采相较于浅部开采矿井力学环境发生了较大的改变，地表变形特征与浅部煤矿开采存在着较大的区别。在深部条带开采地表变形规律方面，国内众多学者做了大量的研究。郭文兵[1-3]主张深部条带开采，当开采宽度较大时可以使用全部开挖的预测参数，用多个单一工作面开挖影响叠加进行预测。刘义新[4-7]对工作面地表变形实测数据进行分析，得到了松散层较厚的情况下深部开采地表变形静态、动态特征和地表移动参数。何万龙[8]在研究大量预测模型的基础上提出了针对山区开采地表移动预测计算模型和方法。李增琪[9－10]利用地表移动、覆岩移动以及矿压的三维算法，建立了覆岩运动的三维层状模型，对覆岩的变形进行了分析。本文以山东某矿地质采矿条件为研究背景，使用FLAC 模拟软件结合MATLAB 数据分析软件，对深部条带开采工作面采动程度增大时的地表变形动态规律进行分析，分析采宽逐渐增大时地表移动规律，以及采动程度等因素对深部条带开采地表移动变形规律的影响，为后续的深部条带开采地表动态移动变形规律提供了基础。

2 数值模型的建立

为研究深部条带开采地表变形特征，深入分析深部条带开采条件下地表变形规律的影响因素，本文以山东某矿105、106、107、108、109 五个条带工作面为研究背景，采用FLAC 数值模拟软件并结合矿区工作面的地质采矿条件，进行数值模拟研究。建立了多个FLAC 数值模拟方案，分析了煤矿开采分步推进期间地表变形特征及变形规律，以及采深与采动程度等因素对深部条带开采地表移动变形规律的影响。对采动程度与深部条带开采地表移动规律的关系进行分析：结合矿区地质条件，设计了20 个数值模拟方案：当开采深度分别为700m、800m、900m、1000m 时，对5 个条带工作面进行逐步开采，开采宽度分别为260m、520m、780m、1040m、1300m，条带工作面分布示意图如图1 所示。

图1 条带工作面分布示意图

为了研究方便，对地层做了简化处理，充分考虑采空区对地表沉降影响范围，倾向方向采空区两侧每边各留有750m 煤柱，走向方向每边各留820m 煤柱，以便消除边界对模型的影响程度，模型的尺寸分别为2800m、2500m、1000m。由于煤层倾角较小，深部条带开采时该倾角对地表变形的影响很小，因此本次模拟只针对水平煤层进行研究，采厚6m。各方案岩层参数、网格密度等因素均一致，对每个条带工作面进行分步开挖模拟，每次推进距离设定为100m，且工作面每次推进后设定一定时步进行迭代。采用FLAC 软件计算，可以较为精确地确定岩体的空间受力状况。根据矿区实测地质资料建立数值模型，具体模型见图2。

图2 计算模型

根据矿区地质资料并结合其他学者的经验数据[11－12]，综合确定地层组合及力学参数如表1 所示。

表1 岩层物理力学参数表

3 FLAC 数值模拟结果分析研究

3.1 FLAC 数值模拟结果

结合实际布点情况，模拟煤层开挖、计算前，选取一些点来记录走向和倾向方向地表垂直和水平位移。条带开采105、106、107、108、109 工作面，开采深度分别为700m、800m、900m、1000m，依次采掘5 个条带工作面，平均采厚为6m。工作面走向长度1000m，依次对不同采动程度及采深条件下的条带工作面进行开采模拟计算。将各模型模拟数据进行统计，并使用MTLAB 软件绘制成曲线图，然后把同一采深的数据绘制到同一幅图中，能够更为清晰的看出不同采宽条件下地表变形规律，变形曲线图如图3、图4 所示。

根据图3、图4 可知，深部开采地表沉降与水平变形曲线有如下特征：

（1）地表最大沉降值位置随采掘条带个数的不同而不同，虽采深不同，但最大沉降值始终位于采空区中心正上方，地表沉降曲线关于采空区中心对称，随着采宽的增加，地表沉降盆地范围逐渐扩大。

（2）水平移动值在采空区中心处接近零，由采空区向两侧水平移动值先增大后减小，在采空区边缘处值最大。

（3）地表下沉降值与水平移动值和采区宽度呈正相关。当开采尺寸继续增大接近于充分采动时，地表沉降值与水平移动值增大幅度减缓；当达到充分采动后，地表最大沉降值与水平移动值不再增大，地表移动趋近于稳定状态，地表沉降盆地呈现出平底形态。

图3 不同采动程度的地表下沉曲线

图4 不同采动程度的地表水平移动曲线

（4）采掘条带个数同时，地表沉降值与水平移动值均随着开采深度的增加而减小。

3.2 采动程度与地表下沉系数及水平移动系数的关系

通过上述数值模拟求得不同情况下的最大下沉值、最大水平移动值，根据最大下沉值、煤层开采厚度、煤层倾角、工作面走向以及倾向长度，计算出下沉系数，水平移动系数b，采动程度系数n，计算公式如下：

为对不同采动程度下的地表变形规律进行分析，根据各模拟方案的最大下沉值与最大水平移动值，计算各方案的采动程度系数n、地表下沉系数q及水平移动系数b，见表2。

表2 不同采深及采动程度下的数值模拟结果

由表2 可知不同采深情况下的采动程度系数，使用MTLAB 数据处理软件拟合出其与下沉系数和水平移动系数之间的函数关系。不同采深条件下采动程度系数与地表下沉系数及水平移动系数的拟合曲线以及拟合函数式如图5 所示。

通过表2 和图5 可以得知，采动程度系数和地表下沉系数呈正相关，和水平移动系数呈负相关，但最终都趋于稳定。下沉系数的上升速度随采动程度系数的增大而减小，最终下沉系数将趋于一稳定值。同时也可以看出当采掘范围到达某一程度时，下沉系数基本趋向于某一常数，表明矿区达到充分采动，从而可以得知增大采深可以延迟地表沉降，随着开采深度的增加可以扩大采掘范围才能使得地表变形达到充分采动。

由上述模拟结果可得地表沉降值及水平移动值随采动程度变化的规律。开采早期，开采范围有限，水平移动值、地表最大沉降值及下沉系数较小。随着采掘尺寸的增大，采动程度随之增大，上覆岩层结构遭到破坏，导致地表沉降值及水平移动值增加。当采动程度上升到某一程度时，地表沉降值及水平移动值会趋于稳定，但是地表影响范围会继续增大。

图5 不同采动程度下地表下沉系数与水平移动系数规律

3 结论

本文以山东某矿地质采矿条件为背景，采用数值模拟方法对深部采矿条件下地表变形律进行了研究。根据数值模拟结果，总结得到深部条带开采条件下地表变形特征及规律：

（1）煤矿开采尺寸对地表变形有着明显的影响，地表下沉值、水平移动值及下沉影响范围均随着开采尺寸的增加而增加；采深增大能够起到延缓地表下沉的作用。

（2）地表下沉系数受采动程度的影响较大，两者关系呈正相关，采动程度低时，地表下沉系数增加的较快，当采动程度较大时，地表下沉系数增长速率减慢，最终趋于某一常数；采动程度和地表水平移动系数呈负相关，当采动程度较大时，水平移动系数增加幅度放缓，最终趋于稳定。

（3）开采深度对地表变形有明显影响，随着采深的增加，地表下沉系数减小、地表影响范围增大。表明了增大采深能够使地表移动变形更为平缓，可以起到保护地面建筑物的作用。