不同开采情况中下沉系数的对比分析

摘要 在“三下”开采中，对安全生产的要求很高，随着灾害防范意识的提高和措施的加大，地表动态沉陷的研究越来越被重视。FLAC数值模拟软件在模拟非线性、大变形和动态问题时效果更为明显，本文应用FLAC软件对不同开采情况下的地表下沉系数进行模拟，同时与实测数据进行比较，探讨其中的关系。

关键词 下沉系数 数值模拟 开采沉陷

中图分类号：C35 文献标识码： A

1前言

矿山资源的大规模开发和利用给人类生存环境产生了一系列影响，矿山开采沉陷是其中很重要的问题。在如何减少地表沉陷造成的损失的工作中，对地表下沉的预测是一项卓有成效的工作，其中下沉系数是表征开采地表移动规律的重要参数，然而各矿区在地质条件和采掘条件上多有差异，故下沉系数的确定也不尽相同，这就为预测地表变形增加了难度，因而确定下沉系数与煤矿开采条件的关系成为了一项重要的工作。

2 实验模拟综述

在此次实验中，模拟地区是鲁西南地区的矿区。整个矿区地形地貌特征为平原，地质条件大体相近，但由于地理中有断层，各矿区同时还具有自己的特点。考虑到此次模拟矿区地质条件相似，但采矿条件和埋藏条件稍有不同的情况，因此，在模拟的过程中采用对比方法。具体的做法是方案一：选定固定的采深，分别模拟不同采厚条件下的采矿条件；方案二：选定固定的采厚，分别模拟不同采深条件下的采矿条件。考虑到该矿区各矿开挖时间较长，实测资料比较全，根据实际经验进行模拟，并与实测数据进行比对，确定模拟数据的可用性和准确性。并以此为根据进行沉陷预报模拟，根据最终的结果讨论如何在保证矿区各种公共设施和建筑物的安全的前提下创造更大的经济效益，为矿区沉陷预防方法提供一个佐证。

3数值模拟实验

数值模型建立与参数选取

（1）基本思路

实验考虑到研究区基岩及第四系厚松散层的变形破坏的特征和低抗拉强度性状，采用岩体力学弹塑性模型离散元分析和低拉力分析原理相藕合的方法，借助计算机模拟开采后地表及覆岩应力、应变和移动规律。

其基本思路为：在综合考虑影响矿区开采覆岩变形破坏特征因素的基础上，首先对工程地质体和地质环境进行深入的调查，特别是对煤（岩）层的赋存状态、物理力学性质、原岩应力场、地质边界条件的组合特征等方面的研究，概化出全面的、符合实际的地质模型。地质模型与地质原型的吻合程度是数值模拟的前提和基础。

在地质模型的基础上，通过合理的抽象、简化、建立数值分析的物理模型，并进行模型的受力机制的分析研究。在此基础上，提取控制性工程地质问题的主导因素，建立数学模型，准确反映地质体的客观实际，同时又具有力学分析的可能性和计算机条件下模拟的可行性。最后考虑岩土体的力学性质，选择合理的塑性准则、流动法则和本构关系，结合工程实际实施计算。

（2）物理模型

此次研究计算模型将模拟的长度和模型高度增加，以便消除边界对模型的影响程度。矿山工程岩体的应力总是处于三维空间应力状态，一般来说最好采用三维软件计算，才能较准确地确定岩体的空间应力状态，然而三维软件计算及成图复杂，对所用的软件要求高，再加上本次研究的范围很大，划分的单元多，给计算带来难度。为此，决定采用取一个具有代表性的垂直剖面，来研究煤系岩层及地表的变形破坏情况。

（3）边界条件

模型的左右边界上，x方向的位移较y方向的位移为小，因此将水平方向的位移置为零，即给水平方向的约束，此边界条件定义为单约束边界：下部边界上，x-y两个方向上的位移都很微小，均可作为零位移边界，此边界条件定义为全约束边界；上部边界上，水平和垂直两个方向的位移都比较大，不予约束，此边界可以定义为自由边界。即模型两侧表示x约束边界，即只有y方向的位移；模型下部边界表示全约束边界，即没有自由度；上边界为自由边界。（如图1）

图1 地层岩石模拟图

（4）岩石力学参数的选取

岩石是一种脆性材料，当荷载达到屈服强度后将发生破坏、弱化，应属于弹塑性体，本次试验选择莫尔――库仑准则。计算中采用的岩石力学参数与工程地质力学模型模拟试验采用的数据相同。模型中采用的岩层力学参数包括弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、抗拉强度和密度等参数见表1。

表1 工作面计算模型的岩土层力学参数表

（5）基本假设

①模拟区段内各分层内部为均匀介质。

②开采模型视为平面应变模型。

4 实验结论

（1）采深增加时，下沉系数逐步减小。随着地表第四系厚度的增大，地表下沉现象愈加严重，可见下沉与上覆岩体的物理性质有很大关系；随采深的增加，地表移动变形参数减小；开采深度对地表最大下沉速度和移动持续时间有影响。一般随采深的增加，地表下沉速度减小，移动更趋缓慢、均匀，但移动持续时间较长；随采深的增加，地表移动范围增大，地表下沉量减小，地表移动盆地趋缓，其它各项变形参数值将变小。随着采深的增加，基岩段厚度逐渐加大，地表下沉系数减小，地表其它各项变形参数亦减小，地表下沉速度减小的同时地表移动持续时间将会变长。

（2）开采沉陷理论认为，采厚对上覆岩体及地表的移动过程起着重要影响作用。采厚越大，则冒落、断裂带高度越大，移动过程表现越剧烈，地表移动变形值越大，地表移动变形值与采厚成正比。经验表明：当采深达到足够大的情况下，下沉系数随采厚M的增加而变化较慢。根据此次实验的下沉值可以看出：采厚与下沉系数成非线性关系。随着开采厚度M的增加，下沉系数q逐渐减小。因此，在进行大采厚开采设计时，在足够的采深条件下，在满足建筑物变形值的情况下，可以适当的增大开采厚度，从而在保证建筑物安全的情况下，能够得到更大的经济效益。发挥深部开采高产高效的优越性。

5 结论

本次实验对下沉系数与采厚采深关系的模拟结论与其他的方法接近，并与实际结果相合。一方面说明了数据模拟的可信性，另一方面也给沉陷预计提供了一个可靠的方法，模拟的结论包括：下沉系数与采深增大而减少，近于直线变化，下沉系数与采厚呈非线性关系，随采厚增加，下沉系数逐渐减小，由于岩体结构本身的复杂性和特殊性，岩体结构的控制作用及强度结构对岩体力学性质的影响， 在模拟过程中，对参数的选取至关重要。伴随理论与实践的相结合，未来的开采沉陷预防工作将会做的越来越好。