黄土沟壑地形下相邻采空区对地表移动变形影响研究

门懋进

(山东科技大学 安全与环境工程学院，山东 青岛 266590)

随着回采工作面的推进，上覆岩层发生断裂垮落、离层变形，随着变化向上发展，地表引发移动沉陷变形，当变形达到一定程度后，会对地表建构筑物以及环境造成一定程度的影响以及破坏[1]。针对地表沉陷问题，国内外学者分析了地表移动变形规律，研究了开采对地表建构筑物以及环境的影响[2-5]。汤伏全[6]通过GNSS连续变形监测系统，结合FLAC3D数值模拟软件，对工作面在相邻老采空区影响下开采地表移动变形规律进行了研究，揭示了老采空区影响下相邻回采工作面动态非对称沉陷规律。贺国伟[7]以地表实测数据为基础，研究了厚黄土层采煤地表移动变形规律以及相关参数变化。仇美玲[8]利用概率积分法对相邻工作面开采后地表沉陷进行了预计，并与实测结果进行对比分析，求取移动变形预计参数。然而，目前对同一煤层相邻采空区影响下煤层开采黄土沟壑地形地表沉陷规律的研究相对较少，为此，本文针对陕北某矿3301采空区以及3302工作面进行三维模型构建以及开采沉陷分析。分析研究对于黄土沟壑地形下相邻工作面开采地表移动变形规律研究具有一定的参考意见。

1 工程概况

本次研究区域为陕北某矿同一煤层3301采空区以及3302工作面，工作面相对位置见图1。工作面所处为陕北黄土沟壑地形，3302工作面走向长4 200 m，倾向长240 m，采高平均3 m，采深平均232 m，煤层近水平，采用走向长壁后退式采煤法，全部垮落法管理顶板。煤层顶板岩性为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩；底板岩性以泥质粉砂岩、粉砂质泥岩[9]。

图1 3301及3302工作面位置及等高线图

2 数值模拟研究

2.1 数值模型建立

以煤矿地质采矿条件为基础，根据实测地表等高线、地表钻孔数据绘制地表地形及各地层，地层及相关物理力学参数见表1。确定模型尺寸为4 600 m×840 m×300 m，模型共划分1 211 636个单元，226 773个节点，模型见图2。模型前后左右面以及底面施加位移约束，不考虑构造应力影响，顶部为自由面，只施加重力[10]。

图2 数值计算模型

表1 地层及相关物理力学参数

2.2 模拟结果及分析

通过FLAC3D数值模拟软件，对条件1单一工作面回采以及条件2相邻采空区影响下工作面回采的覆岩垂直应力分布进行分析，两种条件下的应力分布剖面图如图3所示。条件2下回采上覆岩层应力经历了两次扰动、两次平衡过程，周边煤岩体以及采空区上覆岩体承担了采动带来的应力变化。通过图3对比可知，条件1回采对周围煤岩体的应力响应要小于条件2回采，且条件1上覆岩体及煤柱应力呈现对称性分布。条件2回采过程中，采空区侧煤柱及上部煤岩体再次受到压力破坏，采空区侧应力要大于回采侧应力，导致两个工作面中间煤柱沿采空区侧破损。

图3 开采覆岩垂直应力倾向剖面图

将模拟稳定后地表移动变形值利用FLAC3D数值模拟软件本身自带的fish语言导出到Sufer中进行处理[11]，通过数据处理发现，采空区地表最大下沉值为1 168.95 mm;受采空区影响工作面开采后最大下沉值为2 422.07 mm。通过地表X、Y、Z方向的位移数据得出采空区形成稳定后情况，下沉盆地出现在地表中心偏开切眼方向，该地地形为两面坡体夹击形成的倒梯形地形，易受采动影响发生滑移，此处造成X、Y位移两级分化现象；根据数值模拟发现地表受采动影响发生移动变形，变形情况受地表地形影响大，位于沟壑地形边坡位置地表发生滑移，移动变形量比坡顶要小；采空区对相邻回采工作面有很大影响，相邻工作面在采空区影响开采下地表移动变形要比单一工作面开采大，地表下沉盆地在采空区影响下会偏向采空区方向。

根据数值模拟得到的地表相关变形数据，同实际地表监测数据结果进行对比，见表2，对比发现模拟值较实际监测值要小，分析原因为数值模拟过程中，为分析地层中构造的影响以及现场实测过程中地表进行土地整改导致监测点位缺失或者重置等原因造成。由于实际监测过程中坡体产生滑移，造成下沉值偏大，下沉系数也较周边矿区偏大。

表2 实际监测值与数值模拟值对比

3 结 语

基于现场钻孔数据以及地表数据采集，通过绘图软件绘制三维模型，借用FLAC3D数值模拟软件进行研究，分析了黄土沟壑地形下回采工作面相邻采空区对地表移动变形的影响，结果如下：

1) 模拟工作面采掘完成后地表移动变形，结果显示：只采3301工作面开采地表最大下沉值为1 168.95 mm;首采3301复采3302工作面地表最大下沉值为2 422.07 mm。与实际监测值进行对比发现，数值模拟值相对监测值相差不大。

2) 回采工作面受采空区影响，地表最大下沉点偏向采空区方向，地表呈现非对称下沉，且回采工作面也对采空区进一步活化，使其移动变形加大。

3) 工作面回采导致地表移动变形，变形受地表地形影响较大，位于沟壑地形边坡位置地表发生滑移，移动变形量比坡顶要小。