覆岩岩土比对开采沉陷的影响分析与数值模拟∗

宋世杰赵晓光王双明,2张 勇,3

(1.西安科技大学地质与环境学院,陕西省西安市,710054; 2.陕西省地质调查院,陕西省西安市,710065; 3.陕西省水利厅,陕西省西安市,710004)

覆岩岩土比对开采沉陷的影响分析与数值模拟∗

宋世杰1赵晓光1王双明1,2张 勇1,3

(1.西安科技大学地质与环境学院,陕西省西安市,710054; 2.陕西省地质调查院,陕西省西安市,710065; 3.陕西省水利厅,陕西省西安市,710004)

以榆神矿区小保当井田2－2煤层覆岩为地质原型,基于区域地质条件和3个代表性钻孔构建了30个不同岩土比类型的数值模型,运用数值模拟试验的方法研究在地质条件和开采工艺相同的情况下,覆岩岩土比对开采沉陷的影响规律。研究结果表明:在250 m和300 m埋深水平下,下沉系数都会随着岩土比的增大而减小;在350 m埋深水平下,下沉系数整体上呈现随岩土比增大而变小的趋势(岩土比为2∶1的点除外)。针对3种不同埋深水平建立了岩土比与下沉系数的量化关系;在不同的埋深水平下,岩土比对下沉系数的影响程度不同,随着埋深的增加,下沉系数的减小幅度基本表现为先变大后变小。

煤炭开采 开采沉陷 覆岩岩土比 数值模拟 榆神矿区

地质因素是影响与控制开采沉陷发生发展的主要因素,这一基本认识已经得到国内外学者公认。目前,关于地质因素对开采沉陷影响作用的研究主要集中于褶皱、断层、节理、构造应力、埋深、覆岩综合硬度等方面。煤炭作为典型的沉积矿产,其覆岩的层状结构是煤炭赋存的显著地质特点,而在开采沉陷研究领域却一直没有受到足够的关注。关于煤系覆岩层状结构及其特征影响开采沉陷的研究进展和成果在国内外也是鲜有报道。

岩土比(基岩总厚度与土层总厚度的比值)作为煤系覆岩层状结构最为宏观的特征,对开采沉陷的发展过程和最终损害程度都会产生重要影响。而涉及岩土比的现有研究主要是通过多样本的岩土比和下沉系数的统计分析,最终给出统计意义上变化关系,其研究成果虽然具有一定科学价值,但由于所选样本在地质条件(如埋深、基岩结构等)和开采工艺(如开采方法、采厚等)都存在差异,因此在科学性上还存在一定问题。

鉴于此,本文以陕北榆神矿区小保当井田2－2煤层覆岩为地质原型,以多个代表性钻孔数据资料为依据,在不同埋深水平上构建多个数值模型,运用数值模拟试验的方法研究在地质条件和开采工艺相同的情况下,覆岩岩土比对开采沉陷的影响规律,以期进一步深化地质因素在影响与控制开采沉陷方面的研究。

1 榆神矿区2－2煤层地质赋存条件

2－2煤层作为榆神矿区内主采煤层,位于含煤岩系顶部,厚度0.26～12.16 m,平均6.5 m,倾角不足1°。该煤层埋藏深度总体特征为东浅西深,最浅小于40 m,最深大于580 m,埋深大于200 m的范围约占60%。

2－2煤层上覆地层自下而上依次是侏罗系中统直罗组(J2Z)、安定组(J2a)、白垩系下统洛河组(K11)、第三系上新统三趾马组(N2)、第四系中更新统离石组(Q2L)、第四系上更新统萨拉乌素组(Q3S)、第四系上全新统(Q4)。地表被较厚松散层覆盖,其以现代风积沙为主,厚度为0～175 m,平均为30 m,松散层下赋存土层厚度0～30 m,平均厚度为20 m。

2 小保当井田钻孔特征

通过对小保当井田7条勘探线、共12个地质钻孔数据资料的编录与分析,小保当井田2－2煤层厚度3.47～9.26 m,平均厚度5.84 m;埋藏深度240～400 m,地表松散层厚度一般5～10 m,最大厚度31 m,松散层下赋土层厚度3.81～102.64 m,平均40 m,覆岩岩土比最大为8∶1,最小为2∶1。

按照250 m、300 m、350 m不同埋深水平,依次选取了XB13钻孔、52－2钻孔、XE7钻孔中的2－2煤层覆岩作为地质原型,其主要特征见表1。

表1 代表性钻孔中2－2煤层覆岩主要特征表

3 不同岩土比对开采沉陷影响的数值模拟试验

3.1 不同埋深水平的数值模型构建

以小保当井田2－2煤层赋存条件为地质背景,以钻孔XB13、52－2、XE7依次作为250 m、300 m、350 m 3个不同埋深水平的地质原型,按照各钻孔中2－2煤层覆岩实际地层层序和岩性进行建模。

需要说明的是由于各钻孔中2－2煤层实际埋深与对应的埋深水平还存在一定的差异,不利于后续建模和分析,因此需先将各钻孔实际埋深转化为对应的埋深水平。基本做法是各钻孔中2－2煤层覆岩实际的地层层序保持不变,各岩(土)层厚度按照式(1)进行转化。

式中:hsi——既定埋深水平下,第i层岩(土)层的厚度,m;

hi——第i层岩(土)层实际厚度,m;

H——实际埋深,m;

Hs——埋深水平,m。

目前,榆神矿区以长壁综采为主要采煤方法,开采强度很高。大部分矿井的工作面长超过200 m,开采高度一般为4～5 m,连续推进长度5000～6000 m。因此,在构建数值模型中,2－2煤层厚度统一取5 m,一次采全高,工作面长250 m。

以钻孔XB13为例,按照上述方法,构建了250 m埋深水平的2－2煤层覆岩三维数值模型,见图1。

图1 250 m埋深水平的三维数值模型

3.2 不同岩土比的数值模型构建

基于小保当井田2－2煤层覆岩岩土比实际勘测的变化范围,并根据井田基岩与土层厚度变化的情况做适当的延伸,得到10组不同岩土比,即2∶1、 3∶1、4∶1、5∶1、6∶1、7∶1、8∶1、1 0∶1、15∶1、20∶1。结合3个不同的埋深水平,最终形成30个不同类型的数值模型,见表2。

表2 不同岩土比数值模型类型

需要说明的是在不同埋深水平数值模型的基础上,根据既定的岩土比对模型中各岩(土)层的厚度进行调整,见式(2)和式(3),并最终形成用于后续数值模拟试验的模型。

式中:hkri——既定岩土比条件下,第i层岩层的厚度,m;

k——岩土比。

3.3 基于FLAC3D的数值模拟试验

以FLAC3D数值模拟软件为试验平台,对不同埋深水平和不同岩土比条件下的2－2煤层开采过程进行数值模拟。模型左右边界定为单约束边界(取u＝0,v≠0,w≠0,u为X方向位移,v为Y方向位移,w为Z方向位移);模型前后边界定为单约束边界(取u≠0,v＝0,w≠0);模型底边界定为全约束边界(u＝0,v＝0,w＝0);模型上边界定为自由边界,不予约束。

表3 M1系列数值模型中岩土层物理力学参数

根据FLAC3D数值模拟软件中摩尔－库伦本构模型对材料参数的要求,选取了饱和单轴抗压强度等7个参数,并以3个代表性钻孔中的岩(土)层实际的物理力学指标对模型中各岩土层的物理力学参数进行赋值。以M1系列数值模型为例,其数值见表3。

3.4 试验过程

模拟开采过程中,工作面沿走向方向自右向左(见图1)逐步推进(在模型右侧保留100 m煤柱)。随着采空区的增大,地表开始发生下沉运动直至达到充分采动。运用基于FISH语言数据提取程序对30个模型的逐步开挖过程中每一步开挖产生的地表下沉量进行数据提取,以备后续分析使用。

4 试验结果与分析

通过对30个不同类型的模型进行数值模拟试验,得到在不同埋深水平下不同岩土比与下沉系数之间的对应关系,见表4和图2。

表4 不同埋深水平下,岩土比与下沉系数的对应关系

图2 不同埋深水平下,岩土比与下沉系数的对应关系

由表4和图2可知:

(1)在250 m和300 m埋深水平下,下沉系数都会随着岩土比的增大而减小;在350 m埋深水平下,下沉系数整体上呈现随岩土比增大而变小的趋势(岩土比为2∶1的点除外)。这一结果与前人从统计学角度得到的研究成果相一致。针对图2中3种不同埋深水平下岩土比与下沉系数的关系曲线,进行非线性拟合,得到如下公式:

埋深水平为250 m:

埋深水平为300 m:

埋深水平为350 m:

式中:q——下沉系数;

k——岩土比。

(2)埋深水平不同,下沉系数随岩土比增大而产生的减小幅度不同。埋深水平为250 m时,下沉系数从0.920(岩土比为2∶1)下降至0.834(岩土比为20∶1),下降了9.34%;埋深水平为300 m时,下沉系数从0.763(岩土比为2∶1)下降至0.625(岩土比为20∶1),下降了18.08%;埋深水平为350 m时,下沉系数从0.552(岩土比为3∶1)下降至0.514(岩土比为20∶1),下降了6.88%。可见,在不同的埋深水平下,岩土比对下沉系数的影响程度也不相同,随着埋深的增加,下沉系数的减小幅度基本表现为先变大后变小。

(3)埋深水平不同,下沉系数随岩土比增大而呈现的变化过程不同。埋深水平为250 m时,下沉系数随岩土比增大而呈现出先慢后快的减小过程,且岩土比6∶1是临界点,下沉系数在岩土比6∶1～20∶1区段的平均减小率是其在岩土比2∶1～6∶1区段平均减小率的4倍;埋深水平为300 m时,下沉系数随岩土比增大而呈现出先快后慢的减小过程,且岩土比10∶1是临界点,下沉系数在岩土比2∶1～10∶1区段的平均减小率是其在岩土比10∶1～20∶1区段平均减小率的1.57倍;埋深水平为350 m时,下沉系数随岩土比增大而呈现出先慢后快的减小过程,且岩土比10∶1是临界点,下沉系数在岩土比10∶1～20∶1区段的平均减小率是其在岩土比2∶1～10∶1区段平均减小率的6.7倍。

(4)试验结果显示超过100 m的巨厚土层具有降低下沉系数的效应。当埋深水平为350 m,岩土比为2∶1时对应的下沉系数仅为0.527,小于岩土比为3∶1、4∶1、5∶1、6∶1、7∶1、8∶1、10∶1时对应的下沉系数,相较于其他两个埋深水平的情形存在明显差异。对比3种埋深水平在岩土比为2∶1时上覆土层的厚度,发现只有埋深水平为350 m时上覆土层厚度超过100 m,为117 m(由埋深350 m且岩土比2∶1计算得到),同理,埋深水平为250 m和300 m时上覆土层厚度分别为83 m和100 m。根据夏玉成教授在陕西铜川矿区的沉陷实测数据和钱鸣高院士关于表土层影响关键层的研究成果推断,这种特殊的现象很可能是厚度超过100 m的巨厚土层所致。

5 结论

以陕北榆神矿区小保当井田2－2煤层覆岩为地质原型,基于区域地质条件和3个代表性钻孔数据资料构建了30个不同岩土比类型的数值模型,运用数值模拟试验的方法研究在地质条件和开采工艺相同的情况下,覆岩岩土比对开采沉陷的影响规律,结论如下:

(1)在250 m和300 m埋深水平下,下沉系数都会随着岩土比的增大而减小;在350 m埋深水平下,下沉系数整体上呈现随岩土比增大而变小的趋势(岩土比为2∶1的点除外)。针对3种不同埋深水平建立了岩土比与下沉系数的量化关系。

(2)在不同的埋深水平下,岩土比对下沉系数的影响程度不同,表现为下沉系数变化速度随埋深增加先大后小的变化趋势。埋深水平不同,下沉系数随岩土比增大而呈现的变化过程也不尽相同。

(3)基于数值模拟试验结果,超过100 m的巨厚土层具有降低下沉系数的效应。

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Analysis and numerical simulation on the influence of the overlying strata＇s rock-soil ratio on the mining subsidence

Song Shijie1,Zhao Xiaoguang1,Wang Shuangming1,2,Zhang Yong1,3
(1.College of Geology and Environment,Xi＇an University of Science and Technology, Xi＇an,Shaanxi 710054,China; 2.Shaanxi Geological Survey,Xi＇an,Shaanxi 710065,China; 3.Shaanxi Provincial Department of Water Resources,Xi＇an,Shaanxi 710004,China)

Taking the overlying strata of 2－2coal seam in Xiaobaodang mine field in Yushen mining area as geological model,30 numerical models with different rock-soil ratio were structured on the basis of regional geological conditions and 3 typical drillings.With the method of numerical simulation,the effect law of the rock-soil ratio on the mining subsidence was researched under the same geological condition and mining technology.The results showed that the subsidence coefficient would decrease with the increase of the rock-soil ratio at the buried depth of 250 m and 300 m;at the buried depth of 350 m,the subsidence coefficient decreased with the increase of rock-soil ratio as a whole except that the rock-soil ratio was 2∶1.The quantitative relation between the subsidence coefficient and the rock-soil ratio was built under three different depth levels.Under the different depth levels,the degree of the effect of the rock-soil ratio on the subsidence coefficient was different,and with the increase of buried depth,the decrease extent of the subsidence coefficient got bigger before it got smaller.

coal mining,mining subsidence,overlying strata＇s rock-soil ratio,numerical simulation,Yushen mining area

TD822

A

宋世杰(1983－),男,山东省济南人,讲师,地质工程专业工学博士。主要从事矿山地质灾害防治与环境保护方面的教学与科研工作。

(责任编辑 张毅玲)

国家自然科学基金项目(41402308),陕西省软科学基金项目(2011KRM09),陕西省教育厅科研计划项目(14JK1466),西安科技大学博士启动金项目(2014QDJ006),西安科技大学培育基金项目(201308)资助