李　敏　胡　奎　陳卓求　楊　銳

（1. 安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽淮南232001；2. 皖北煤電集團公司，安徽 宿州234000；3. 安徽省淮南市規(guī)劃設(shè)計研究院，安徽淮南232001）

摘要： 運用FLAC3D軟件，對百善煤礦6123首采工作面開采所引起的南沱河河堤的移動與變 形（以南堤為例）進行了模擬，與實測對比分析，得出了地表移動的基本規(guī)律和特征。模擬 結(jié)果對堤下采煤具有一定的指導(dǎo)意義，為開采沉陷的堤壩治理提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：FLAC；沉陷；數(shù)值模擬

中圖分類號：TD32文獻標識碼：A[WT]文章編號：16721098(2008)02000605

Numerical Simulation Prediction Study of Surface Subsidence Caused by Coal Min ing Under the Bank of Nantuo River

LI Min HU Kui CHEN Zhuo瞦iu YANG Rui

(1. School of Earth and Environmental Science, Anhui University of Science and T echnology, Huainan Anhui 232001, China; 2. Wanbei Coal and Electricity Group Com pany, Suzhou Anhui 234000, China; 3. Anhui Institute of Layout in Huainan, Huain an Anhui 232001, China) Abstract: Movement and deformation of Nantuo River bank (taking the south bank a s example) caused by the first mining longwall 6123 in Baishan Mine was simulate d by FLAC3D. Comparing the simulation results with in瞫itu survey, the b asic cha racteristics and behavior of the earths surface movement were educed. The resu lts have some guidance in mining under the river bank and provide scientific bas is for the river bank subsidence treatment.

Key words:FLAC；subsidence；numerical simulation

地下煤層被開采出來以后，開采區(qū)域周圍巖體的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)受到破壞，應(yīng)力重新分布 ，達到新的平衡。在此過程中，開采煤層的上覆巖層將產(chǎn)生移動、變形與破壞，當開采面積 達到一定范圍后，移動與變形將波及到地表，使地表產(chǎn)生沉陷［1］，隨之，沉陷區(qū) 范圍內(nèi)的堤壩遭到破壞。因此，預(yù)測堤壩受開采的影響程度，并及時對受開采影響的堤壩進 行治理，是確保河堤兩岸人民生命財產(chǎn)安全的重要保證。

1百善煤礦6123工作面概況

皖北煤電集團百善煤礦6123工作面走向長約為1 000 m，傾向長約為100 m，面積約11.0萬 m 平均采厚3 m，平均采深157.4 m，平均傾角10°。南沱河橫穿該工作面上方，由西向東穿越， 越境長度為790 m， 兩岸河堤之間平均距離為204 m， 南堤距離開切眼400 m（見圖1）。

2數(shù)值模型的建立

2.1FLAC3D簡介

FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是由美國Itasca公司開發(fā)的顯式有 限差分程序，能較好地模擬地質(zhì)材料在達到強度極限或屈服極限時發(fā)生的破壞或塑性流動的 力學(xué)行為，分析漸進破壞和失穩(wěn)，特別適用于模擬大變形［2］。ネ1采區(qū)平面示意圖2.2幾何模型的建立

據(jù)南沱河堤下開采工作面巷道布置特點及地面鉆孔探測結(jié)果，建立河堤下采煤的三維模型（ 見圖2）。 本次模擬受開采影響的南堤， 以工作面傾向為玐方向，長度為500m， 以走向為玒方向,長度為1 000 m，以豎直方向為玓方向 ，高度為 216.61 m。取河堤高度4 m，頂寬10 m，坡度1∶3。模 型尺寸為500 m×1 000 m×216.61 m，共有71 300個 單元。

圖2三維有限差分網(wǎng)格模型 為了研究和了解隨工作面的推進南堤的變化, 在開采過程中, 工作面每推進一定距離進行一 次運算, 總計工作面推進分解成六個開采階段,分別為工作面推進位置1、2、3、4、5、6六 個階段進行模擬(見圖1),并在沿南堤縱向方向每隔20 m布置一個監(jiān)測點，點號 分別為0，1，2……，24，25，共計26個監(jiān)測點以監(jiān)測南堤及地表移動的演化過程。

2.3Mohr睠oulomb準則及巖性參數(shù)的選取

本研究確立煤系巖體的本構(gòu)關(guān)系為：在工作面開采前，煤系巖體處于原巖應(yīng)力狀態(tài) ；采用近似理想的彈塑性模型, 破壞準則選用Mohr睠oulomb準則［3］，原理描述見 圖3。用Mohr睠oulomb破壞準則描繪從點A到點B破壞包絡(luò)線f﹕=0即：f

圖3Mohr睠oulomb準則圖

數(shù)值模擬實踐表明，在計算所需的巖體物理力學(xué)參數(shù)中，對計算結(jié)果影響最大的是巖體的彈 性模量獷，簡稱為彈模。通常情況下,巖體的彈模為巖塊彈模的1/7～1/20。本次模擬結(jié) 合鄰近礦井及本礦鄰近采區(qū)的巖層物理力學(xué)參數(shù)進行類比, 獲得巖體的物理力學(xué)參數(shù)，巖體 彈模取巖塊彈模的1/10倍，模擬的具體參數(shù)見表1［4］。表1采區(qū)上覆巖層巖性參

由于采區(qū)上覆巖層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得其內(nèi)部構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜，參照蘇聯(lián)學(xué)者尼克修改了海姆的靜 水壓力假設(shè)［5］，認為地層內(nèi)各點的垂直應(yīng)力等于上覆巖層的重量，而側(cè)向應(yīng)力是 泊松效應(yīng)的結(jié)果，即

σ璿=γH,σ環(huán)=[SX(]v[]1-v[SX)]γH

式中：玽為上覆巖層的泊松比；γ為上覆巖石的重力密度,kg/m；獺為單元立 方體所在的深度，m。

模型的邊界條件如下：

模擬結(jié)果如圖4～圖5所示。圖4地表下沉盆地圖

圖5 地表下沉等值線圖(m)

由圖4和圖5可知，當?shù)叵旅簩颖徊沙龊螅煽諈^(qū)直接頂板巖層在自重力作用及其上覆巖層的 作用下，產(chǎn)生向下的移動和彎曲。隨著工作面不斷向前推進，下沉不斷增加，最終在地表產(chǎn) 生一個比開采范圍大得多的下沉盆地，模擬的結(jié)果符合開采沉陷的一般規(guī)律。

3.2地表移動變形規(guī)律

南堤動態(tài)移動與變形曲線如圖6～圖10所示。

1.推進位置1；2.推進位置2；3.推進位置3；

4.推進位置4；5.推進位置5；6.推進位置6

圖6南堤下沉曲線圖1.推進位置1；2.推進位置2；3.推進位置3；

4.推進位置4；5.推進位置5；6.推進位置6

圖7南堤縱向傾斜變形曲線圖1.推進位置1；2.推進位置2；3.推進位置3；

4.推進位置4；5.推進位置5；6.推進位置6

圖8南堤縱向曲率變形曲線圖1.推進位置1；2.推進位置2；3.推進位置3；

4.推進位置4；5.推進位置5；6.推進位置6

圖9南堤縱向水平移動曲線圖1.推進位置1；2.推進位置2；3.推進位置3；

4.推進位置4；5.推進位置5；6.推進位置6

圖10南堤縱向水平變形曲線圖從圖6～圖10中可以看出：南堤最大下沉點在13～14之間，最大下沉值為2.998 m，影響范圍 的點號為4～24。

(1) 當工作面推進到位置1、2(距離堤壩350 m和200 m)，下沉量和 水平方向移動變形量都較小，可以認為堤壩基本不受煤層開采的影響；

(2) 當工作面推進到位置3(南堤北側(cè)100 m)，堤壩產(chǎn)生了移動變形，下沉量和 水平移動量逐漸增大。在2～8和17～23點之間出現(xiàn)水平拉伸變形，最大值為3.1 mm/m，此時壩的兩端有細小裂縫出現(xiàn)；

(3) 當工作面推進到位置4、5，此時下沉量急劇增加，特別是水平變形值增加最快。水平拉 伸變形出現(xiàn)在2～8和17～23點之間，最大水平拉伸變形值為11.8 mm/m，此時壩 的兩端裂縫寬度增加最快，壩的中間部位無裂縫；

(4) 當工作面從河堤下穿過后推進到位置6，堤壩位于下沉盆地的中心區(qū)域，移動與 變形量趨于穩(wěn)定。

由此可見，隨著工作面的不斷推進，堤壩受采動影響是一個初始影響—影響劇烈—影響穩(wěn)定 的發(fā)展變化過程。

4與實測結(jié)果對比分析

南沱河南堤實測監(jiān)測點最大下沉點為14號點，最大下沉值為3.203 m。數(shù)值模擬 結(jié)果與其相比，下沉值最大差為205 mm，為下沉值的6.4%。兩者之間產(chǎn)生差異 的主要原因是：

(1) 模型建立的準確度由于上履巖層比較復(fù)雜，鉆探剖面線不可能完整準確的顯示該礦 區(qū)的巖層構(gòu)造，其它地質(zhì)條件如節(jié)理、裂隙以及斷層，對模型建立都有很大的影響；

(2) 巖性參數(shù)的選取數(shù)值模擬最主要的就是巖性參數(shù)，室內(nèi)試驗巖性參數(shù)與實際有變化所 致，其符合度決定模擬的準確度；

數(shù)值模擬結(jié)果與南堤實測下沉基本相似，見圖11。

圖11南堤下沉實測圖5結(jié)論

(1) 用FLAC數(shù)值模擬方法進行沉陷預(yù)計，克服了概率積分法注重表相的弱點。FLAC數(shù)值模擬 參數(shù)越準確越能反應(yīng)原型的客觀條件，就越能準確地預(yù)計開采引起的地表變形，所以對原型 的考察、研究和合理的簡化是十分重要和必要的。

(2) 工作面的推進對南堤的影響是一個發(fā)展變化的過程，呈現(xiàn)出較為明顯的階段性。開采初 期，由于非充分采動和不均勻下沉的影響，工作面前后煤體及采空區(qū)上方地表都將間斷發(fā)育 有微小裂縫，特別是當工作面接近堤壩及穿越堤壩時，堤壩的微小裂縫發(fā)育會達到最高峰； 當工作面推過堤壩后，采空區(qū)上方地表水平變形逐漸趨于穩(wěn)定。

(3) FLAC數(shù)值模擬基本體現(xiàn)了南堤地表動態(tài)的演化過程，能反映出地表的移動與變形的規(guī)律 。與實測值相比，還有一定的差距，原因除了模型建立的準確度和巖性參數(shù)外，孔隙水滲透 也有很大影響。

參考文獻：

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(責任編輯：宋曉梅)