劉吉波，廉旭剛，戴華陽(yáng)，楊國(guó)柱，劉 杰

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083)

基于UDEC的巖層與地表移動(dòng)動(dòng)態(tài)模擬研究

劉吉波，廉旭剛，戴華陽(yáng)，楊國(guó)柱，劉 杰

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083)

以UDEC為研究平臺(tái)，討論了數(shù)值計(jì)算時(shí)的開(kāi)挖模擬和迭代運(yùn)算問(wèn)題。通過(guò)計(jì)算實(shí)驗(yàn)，提出并建立了以開(kāi)采充分性和推進(jìn)速度為變量的單元開(kāi)采迭代次數(shù)的計(jì)算方法，分析了巖層性質(zhì)及工作面推進(jìn)速度等因素對(duì)巖層及地表移動(dòng)變形的影響規(guī)律，為巖層及地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形的模擬計(jì)算提供了參考。

UDEC；巖層與地表移動(dòng)；數(shù)值模擬；迭代次數(shù)；開(kāi)挖模擬

數(shù)值模擬軟件是研究巖層移動(dòng)規(guī)律的重要手段，很多學(xué)者應(yīng)用數(shù)值模擬軟件在開(kāi)采沉陷領(lǐng)域進(jìn)行了研究。楊天鴻等基于巖體滲流耦合及損傷分析系統(tǒng)，模擬了開(kāi)采過(guò)程中覆巖動(dòng)態(tài)破壞過(guò)程及應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng)演化的過(guò)程，提出了巖層滲透性演化受到開(kāi)采引起的應(yīng)力重新分配及覆巖損傷累積過(guò)程中結(jié)構(gòu)性破壞的分布特征[1]。唐春安應(yīng)用自主開(kāi)發(fā)的巖石破壞分析系統(tǒng)RFPA2D，分析了采空區(qū)上覆巖層的移動(dòng)變形規(guī)律，認(rèn)為RFPA2D巖層性質(zhì)、幾何條件、移動(dòng)變形、破壞形態(tài)及支撐結(jié)構(gòu)等方面真實(shí)地模擬開(kāi)采過(guò)程中巖層發(fā)生變形、離層、斷裂及地表下沉的規(guī)律[2]。李新強(qiáng)等分析了采空區(qū)上覆巖層內(nèi)部移動(dòng)變形規(guī)律，提出了動(dòng)態(tài)分析開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)模型，揭示了四大控制巖體運(yùn)動(dòng)的要素：即推進(jìn)速度、覆巖的移動(dòng)演變、巖體和矸石的流變壓縮，并據(jù)此編制了專用的有限元分析軟件[3]。謝和平院士利用FLAC進(jìn)行了煤礦開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)，并將預(yù)計(jì)結(jié)果和概率積分法做了對(duì)比分析，揭示了使用FLAC可模擬真實(shí)開(kāi)采地質(zhì)條件，指出時(shí)間因素與計(jì)算迭代次數(shù)有關(guān)，即計(jì)算步數(shù)與對(duì)應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)度成正比，計(jì)算步數(shù)越大，模型形變?cè)酱骩4-5]。

但目前對(duì)開(kāi)采沉陷引起的動(dòng)態(tài)巖層及地表移動(dòng)的數(shù)值模擬預(yù)計(jì)方法研究仍不成熟，未提出基于時(shí)間影響的具體模型或方法。為此，本文對(duì)數(shù)值模擬迭代次數(shù)與開(kāi)采充分度及推進(jìn)速度的關(guān)系進(jìn)行研究，建立計(jì)算勻速開(kāi)采與非勻速開(kāi)采時(shí)在不同開(kāi)采充分程度下的地表動(dòng)態(tài)預(yù)計(jì)模型；分析開(kāi)采推進(jìn)速度、巖層性質(zhì)對(duì)巖層及地表移動(dòng)變形的動(dòng)態(tài)影響過(guò)程。

1 瞬時(shí)開(kāi)采巖層及地表移動(dòng)的傳遞速度

煤礦開(kāi)采是連續(xù)的推進(jìn)過(guò)程，覆巖及地表移動(dòng)隨著開(kāi)采空間和時(shí)間變化。瞬時(shí)開(kāi)采是假設(shè)在某一時(shí)間，采出特定區(qū)域的全部礦體，即將開(kāi)采空間看作一常量，地表及覆巖的移動(dòng)變形僅隨采后時(shí)間而變化，不受開(kāi)采空間的影響。借助數(shù)值計(jì)算軟件可模擬實(shí)際生產(chǎn)中不存在的開(kāi)采狀況，研究不同開(kāi)采充分度時(shí)，覆巖及地表移動(dòng)變形與開(kāi)采破壞傳遞速度的關(guān)系。

假設(shè)采動(dòng)破壞的傳遞速度與開(kāi)采的充分程度(寬深比)有關(guān)，認(rèn)為地下煤層開(kāi)采引起的移動(dòng)變形傳至地表所需的數(shù)值模擬迭代次數(shù)為傳遞速度。為了驗(yàn)證假設(shè)的正確性，進(jìn)行了不同采深不同充分度條件下模型開(kāi)采引起地表下沉10mm的模擬迭代次數(shù)統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)表1分析可知，當(dāng)開(kāi)采尺寸一定時(shí)，采深對(duì)迭代次數(shù)具有一定的影響，但與開(kāi)采充分度相比，其影響較小。

表1 不同采深及開(kāi)采充分度地表下沉10mm迭代次數(shù)

注：D為開(kāi)采尺寸。

開(kāi)采充分度的大小與數(shù)值模擬中計(jì)算步數(shù)成反比，即開(kāi)采越充分，所需計(jì)算步數(shù)越少。開(kāi)采充分度在開(kāi)采沉陷的數(shù)值模擬中，起到了重要的作用。

分析上述瞬時(shí)開(kāi)采數(shù)值模擬結(jié)果，同等程度的地表下沉，開(kāi)采時(shí)步與開(kāi)采充分程度有很大關(guān)系。動(dòng)態(tài)預(yù)計(jì)模型的建立，需要考慮開(kāi)采時(shí)步與開(kāi)采充分度及推進(jìn)速度的關(guān)系，從而構(gòu)建時(shí)間與開(kāi)采尺寸影響的開(kāi)采時(shí)步綜合計(jì)算公式。

2 動(dòng)態(tài)預(yù)計(jì)模型建立與驗(yàn)證分析

2.1 動(dòng)態(tài)預(yù)計(jì)模型建立

模型建立的思想：基于瞬時(shí)開(kāi)采巖層及地表移動(dòng)的傳遞速度，以一定尺寸的開(kāi)采距離為開(kāi)采單元，建立單元開(kāi)采后數(shù)值模擬迭代次數(shù)與開(kāi)采充分度、推進(jìn)速度的關(guān)系。在推進(jìn)過(guò)程中，開(kāi)采充分程度起主要作用，因此建立以開(kāi)采充分度為主，推進(jìn)速度為輔的迭代次數(shù)計(jì)算公式。

(1)

式中，ni為開(kāi)采單元所需的迭代次數(shù)；A為模型平衡所需迭代次數(shù)；L/H0為推進(jìn)距離與采深比值；v0為模型無(wú)速度影響中值，m/d；vi為開(kāi)采單元的推進(jìn)速度，m/d。

當(dāng)工作面停止后，迭代次數(shù)與時(shí)間成正比，具體計(jì)算公式為：

(2)

式中，Δn為工作面停采后Δt時(shí)間內(nèi)迭代次數(shù)；Δt為工作面停采后延續(xù)時(shí)間，d。

2.2 模型驗(yàn)證分析

2.2.1 數(shù)值模型建立

應(yīng)用通用離散元數(shù)值模擬軟件(UDEC)，模型建立尺寸為4200m×750m。表2為模型的物理力學(xué)參數(shù)。地質(zhì)采礦條件：采深700m，松散層厚度400m，基巖厚度300m，采厚3m，煤層傾角0°。

表2 數(shù)值模擬物理力學(xué)參數(shù)

2.2.2 模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)對(duì)比分析

開(kāi)采單元距離為20m，工作面推進(jìn)過(guò)程中，每個(gè)開(kāi)采單元的迭代次數(shù)采用公式(1)計(jì)算，工作面停采后，僅時(shí)間因素對(duì)迭代次數(shù)有影響，因此利用公式(2)計(jì)算。圖1為數(shù)值模擬預(yù)計(jì)地表動(dòng)態(tài)下沉曲線，圖2為地表動(dòng)態(tài)預(yù)計(jì)水平移動(dòng)曲線。通過(guò)對(duì)比分析，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較吻合。

推進(jìn)距離：1-500m;2-1000m；3-1500m；4-2000m；5-2600m圖1 數(shù)值模擬預(yù)計(jì)下沉與實(shí)測(cè)下沉對(duì)比

推進(jìn)距離：1-500m;2-1000m；3-1500m；4-2000m；5-2600m圖2 數(shù)值模擬預(yù)計(jì)水平移動(dòng)與實(shí)測(cè)水平移動(dòng)對(duì)比

3 推進(jìn)速度及巖性對(duì)模擬結(jié)果的影響

3.1 推進(jìn)速度影響分析

3.1.1 地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形規(guī)律

工作面推進(jìn)過(guò)程中，引起上覆巖層的移動(dòng)變形隨時(shí)間變化，推進(jìn)速度的大小，直接影響巖層移動(dòng)傳遞的時(shí)間。按照開(kāi)采單元尺寸100m計(jì)算，通過(guò)分析勻速推進(jìn)2m/d，10m/d地表動(dòng)態(tài)下沉曲線(見(jiàn)圖3(a)和圖3(b))可知，隨著推進(jìn)速度的增大，相同的開(kāi)采空間，地表移動(dòng)變形呈變小趨勢(shì)，巖層的移動(dòng)時(shí)間較少，地表下沉不充分。開(kāi)采速度較小時(shí)，巖層移動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，其地表下沉較為充分。

推進(jìn)距離：1-300m；2-600m；3-1100m；4-1700m；5-2600m圖3 不同勻速開(kāi)采速度地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形曲線

工作面的推進(jìn)速度對(duì)地表動(dòng)態(tài)水平移動(dòng)(見(jiàn)圖3(c)和圖3(d))具有與下沉相似的規(guī)律，即水平移動(dòng)量與推進(jìn)速度成反比。

3.1.2 巖層動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形規(guī)律

低速推進(jìn)時(shí)，整個(gè)開(kāi)采過(guò)程具有充足的時(shí)間將采空區(qū)的移動(dòng)變形通過(guò)巖層傳遞至地表，而快速推進(jìn)時(shí)，采區(qū)空間向上覆巖層傳遞的時(shí)間較短，采空區(qū)形成較大空間的趨勢(shì)加強(qiáng)，容易形成上覆巖層的整體下沉。低速推進(jìn)覆巖移動(dòng)變形更為充分。

快速推進(jìn)形成的開(kāi)采空間上覆巖層的整體性較強(qiáng)，應(yīng)力分布均勻，覆巖塊體跨度較大。低速推進(jìn)形成的開(kāi)采空間上覆巖層整體性較弱，應(yīng)力分布較為集中。

3.2 巖性影響分析

3.2.1 地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形規(guī)律

通過(guò)改變巖石的物理力學(xué)參數(shù)研究不同軟硬程度巖性條件對(duì)移動(dòng)變形的影響規(guī)律，如圖4所示。

推進(jìn)距離：1-300m；2-600m；3-1100m；4-1700m；5-2600m圖4 不同巖性地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形曲線

圖4(a)和圖4(b)分別為堅(jiān)硬巖性和軟弱巖性地表動(dòng)態(tài)下沉曲線。硬巖條件下，非充分階段下沉較小，充分及超充分階段形成整體幅度下沉，當(dāng)巖性偏軟時(shí)，地表下沉盆地整體較為充分，下沉幅度明顯大于巖性偏硬模型。

圖4(c)和圖4(d)分別為堅(jiān)硬巖性和軟弱巖性地表動(dòng)態(tài)水平移動(dòng)曲線，巖性偏硬時(shí)，地表水平移動(dòng)減小，巖性較軟時(shí)，地表水平移動(dòng)增加。

3.2.2 巖層動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形規(guī)律

軟巖條件下，覆巖豎向移動(dòng)具有與低速推進(jìn)相似的現(xiàn)象，豎向位移傳遞速度快；硬巖條件下，累計(jì)開(kāi)采空間區(qū)域較大，造成上覆巖層整體移動(dòng)。

軟巖條件下，采空區(qū)上方的覆巖垮落較快，應(yīng)力分布集中，而硬巖條件，采空區(qū)易累計(jì)形成較大的區(qū)域，上覆巖層整體性較強(qiáng)，應(yīng)力分布均勻。

4 結(jié)論

(2)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，推進(jìn)速度和巖性對(duì)地表移動(dòng)變形大小及分布形態(tài)均具有顯著影響。推進(jìn)速度較小或覆巖巖性較軟時(shí)，地表容易達(dá)到靜態(tài)移動(dòng)變形最大值，反之則不易達(dá)到。

(3)數(shù)值計(jì)算分析表明，推進(jìn)速度較快或巖性較硬時(shí)，采空區(qū)上覆巖層塊體跨度較大，應(yīng)力分布均勻，覆巖整體移動(dòng)性較強(qiáng)；而當(dāng)推進(jìn)速度較慢或巖性較軟時(shí)，地表下沉整體較為充分，下沉幅度大于巖性偏硬模型。

[1]楊天鴻，趙興東，冷雪峰，等.地下開(kāi)挖引起圍巖破壞及其滲透性演化過(guò)程仿真[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(S1)：2386-2389.

[2]唐春安，徐曾和，徐小荷.巖石破裂過(guò)程分析RFPA2D系統(tǒng)在采場(chǎng)上覆巖層移動(dòng)規(guī)律研究中的應(yīng)用[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1999，21(5)：456-458.

[3]李新強(qiáng)，高延法，張慶松.開(kāi)采沉陷動(dòng)態(tài)數(shù)值仿真研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(1)：86-90.

[4]謝和平，周宏偉，王金安，等.煤礦開(kāi)采沉陷的巖石力學(xué)數(shù)值模擬預(yù)計(jì)方法[A].中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)第五屆學(xué)術(shù)大會(huì)[C].上海，1998.

[5]謝和平，周宏偉，王金安，等.FLAC在煤礦開(kāi)采沉陷預(yù)測(cè)中的應(yīng)用及對(duì)比分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999，18(4)：29-33.

[責(zé)任編輯：王興庫(kù)]

Dynamical Simulation of Rock Strata and Surface Movement Based on UDEC

LIU Ji-bo, LIAN Xu-gang, DAI Hua-yang, YANG Guo-zhu, LIU Jie

(Earth Science & Surveying Engineering School, China University of Mining & Technology (Beijing), Beijing 100083, China)

Mining simulation and iteration calculation in numerical simulation was discussed based on UDEC software.A calculation method of zone mining iterations was put forward which took mining sufficiency and mining speed as variables.By this method, the influence rule of rock properties and mining speed on rock and surface movement and deformation were analyzed, which provided reference for simulation and calculation of rock and surface dynamic movement and deformation.

UDEC; rock and surface movement; numerical simulation; iteration number; excavation simulation

2014-03-28

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.03.030

博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20110023110014)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(2009YD05，2010QD01)

劉吉波(1975-)，男，山東招遠(yuǎn)人，博士研究生，從事開(kāi)采沉陷、變形監(jiān)測(cè)等方面的研究與應(yīng)用。

劉吉波，廉旭剛，戴華陽(yáng)，等.基于UDEC的巖層與地表移動(dòng)動(dòng)態(tài)模擬研究[J].煤礦開(kāi)采，2014，19(3)：104-107.

TD325

A

1006-6225(2014)03-0104-04