基于DDA方法的8101工作面开采沉陷数值模拟分析

收稿日期：２０２００１?１７作者简介：李　涛（１９９１－），男，陕西商洛人，助理工程师，从事生产技术工作。

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－２７９８．２０２０．０９．０１１
基于ＤＤＡ方法的８１０１工作面开采沉陷数值模拟分析
李　涛
（潞安环能股份公司王庄煤矿，山西长治　０４６０３１）
摘　要：为了获取更为完整的一次采全高条件下地表沉陷规律与覆岩破坏动态演化，以王庄煤矿８１０１工作面为例，基于ＤＤＡ数值模拟方法，对受断层影响下工作面的开采沉陷规律进行分析。

结果表明：工作面回采至２
００ｍ时，受到断层影响，离层范围开始增大，大致为２～４倍采厚，地面局部开始发生沉陷；断层附近诱发的地表沉陷很严重，且隆起区域进一步扩大。

研究成果旨在为更深入地挖掘王庄煤矿矿井生产潜力，保证矿井的可持续发展提供参考。

关键词：开采沉陷；ＤＤＡ；数值模拟；王庄煤矿
中图分类号：ＴＤ３２５ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００５２７９８（２０２０）０９?００４４?
０２ 王庄煤矿是一座大型高产高效现代化矿井，核定生产能力达７１０万ｔ／ａ，主采山西组３号煤层，煤层均厚６．５ｍ。

由于王庄煤矿特定的水文地质条件，以及厚煤层现代机械化高强度开采，势必引起更为剧烈的地表移动和变形，对上覆建（构）筑物、道路等造成破坏，为进一步完善和掌握一次采全高条件下地表沉陷规律与覆岩破坏动态演化，开展３号煤层工作面的开采沉陷数值模拟研究具有重要意义，将为矿井生产提供科学指导。

块体系统不连续变形分析（ＤＤＡ）是基于真实岩体结构的非连续性而提出的一种数值计算方法，能够计算块体系统不连续面的滑动、开裂及旋转等非连续介质位移、变形等问题，已经广泛应用于矿
山、滑坡、大坝等工程的破坏过程模拟分析［１－３］。

本
文以王庄煤矿８
１０１工作面为例，在充分考虑岩体节理真实结构的基础上，对工作面回采所引起的地表沉陷规律进行模拟分析。

１　８１０１工作面地质概况
８１０１工作面位于王庄煤矿后备区８１采区，主
采二叠系３号煤层，平均采深３８０ｍ，煤层均厚６．３ｍ，煤层倾角３～７°，工作面走向长８６６～９３６ｍ，倾向长２７０ｍ，采用一次采全高综采放顶煤采煤工艺，全部垮落法管理顶板。

煤层直接顶为泥岩或泥质砂岩，老顶为泥岩；直接底为泥岩，老底为细粒砂岩。

煤层综合柱状岩层分布，见表１。

工作面地质构造较复杂，区域内发育５条正断层，分别为Ｆ２８６、Ｆ２８７、Ｆ２８８、Ｆ２８９和Ｆ２９６，最大断层落差６ｍ，其中Ｆ２８６～
Ｆ２８９
断层构造对８１０１工作面回采影响程度较大。

表１　煤层综合柱状岩层分布
岩石名称实际厚度／ｍ所取厚
度／ｍ岩石
名称实际厚度
／ｍ所取厚度
／ｍ
表土１５２．８１１５０细粒砂岩８．６０９砂质泥岩２０．８０２１砂质泥岩３１．２３０细粒砂岩２０．３２９砂质泥岩１８．５３１８
含砾中砂１６．９５１７２号煤层０．２砂质泥岩４６．８１４７砂质泥岩１２．９５１３细粒砂岩２０．５０２０３号煤层６．３６．３砂质泥岩２９．３５３０砂质泥岩６．２５６中粒砂岩９．３０９细粒砂岩６．６６细粒砂岩１５．０１５砂质泥岩６．５６粉砂岩
１１．０５
１１
石灰岩
７．２
７２　ＤＤＡ数值模拟构建
非连续变形分析（ＤＤＡ）是采用幂级数多项式
位移函数来模拟岩石块体的变形，以多项式系数为基本未知量利用变分原理建立整体平衡方程，在求解过程中严格满足块体间无张拉、无嵌入的接触条件，该方法不仅允许块体本身变形，还允许块体间有滑动、转动、张开等运动形式，非常适合分析系统中
非连续大变形的情况［
１－３］。

ＤＤＡ应用到矿山地表移动数值模拟分析，是以自然存在的岩体被结构面切割生成不同的块体单元，当块体系统中每个块体
的几何条件、边界条件及力学条件确定后，由Ｄ
ＤＡ就可以计算块体系统中每个块体的位移、应变及应
力，从而确定块体间相对移动和滑动［４］。

为了提高数值模拟的准确性，选取具有代表性的局部区域进行模拟，根据地质资料将实际开采情况简化为沿巷道走向的二维平面应变块体模型，模
型尺寸长８
００ｍ，高为４５０ｍ。

模型底面和侧面均固４
４实用技术
总第２５３期
定约束，取上覆岩层的近似平均容重ρ＝２．６×１０３ｋｇ／ｍ３，为了模拟上覆岩层自重作用模型底面可
近似为均布荷载作用，即：σ＝ρｇＨ＝２．６×１０３
×１０×４５０＝１１．７ＭＰａ（式中：Ｈ为模型所取煤层埋深），所取岩层力学参数选择，见表２。

本次数值模拟计算是为了观测深部开采条件下上覆岩层的移动破坏及地表沉陷规律，主要考虑穿过断层时的影响。

因此计算模型选取了８１０１工作面一个有特点的区域，包含了五条断层，如图１。

为了更好地模拟矿井真实回采进度，按照王庄煤矿及周边矿井已有相似采煤工艺回采经验，模型平均回采推进速度确定为２．８ｍ／ｄ。

表２　８１０１工作面覆岩岩石力学参数
岩层容重／（ｇ·ｃｍ－３）
弹性模量
／ＧＰａ泊松比内摩擦角
／（°）黏聚力
／ＭＰａ表土层１．８２８０．２９８２０．００２泥岩２．６５３２．６２０．２９７３６．００４中粒砂岩２．６５７９．５２０．２９８３６．００１１．００３号煤层
１．４４
２．８０
０．４６３
３１．８１
２．０
９
图１　沿开采走向数值模拟示意
３　８１０１工作面开采沉陷数值模拟分析
模型中煤层的模拟开采是根据现场实际情况而制定的，通过ＤＤＡ模拟不同开挖步骤，初步分析和得出工作面开采过程中上覆岩层移动及地表沉陷规律，模拟结果如图２。

从图２
可以看出：
图２　开采过程中上覆岩层移动及地表沉陷规律
１）　工作面推进１００ｍ时，由于采空区的出现，采空区上覆岩层将卸压，此时采空区的上覆岩层
以前承受的荷载将主要由采空区的直接顶及前后未
开采的两个端头来承载，直接顶起着“关键层”的作
用。

此时，采空区周围的应力场为较小的类似椭圆形状的应力场。

特别要注意的是，在前后方的断层附近出现了很大的应力集中区。

这个阶段由于采空区范围较小，在采空区上方只出现了离层现象，但沉陷并未明显波及到地面，如图２（ａ）。

２）　当工作面推进２００ｍ时，由于穿过Ｆ２８７断层，可以看到前面在断层附近积累的应力集中只有很小一部分得到释放，并且在断层局部区域出现明显的垮落现象。

上覆岩层已经开始垮落，上方并出现离层现象，如图２（ｂ）。

由于此时开采通过断层，所穿过的断层附近的应力集中会转移到别的区域，远离工作面的断层会出现更大的应力集中。

椭圆形的应力场在水平和垂直方向随着回采的推进也均产生扩展。

由于采空区范围增大，并且受到断层的影响，离层范围增大，大致在采厚的２～４倍范围，地表开始发生局部沉陷，局部沉陷主要发生在采空区上方区域。

３）　当工作面推采距离到４００ｍ时，完全穿过Ｆ２８７和Ｆ２８８两个断层，并将要在前方碰到Ｆ２８９断层，此时的应力集中非常明显，主要集中（下转第５８页）
５
４２０２０年９月 李　涛：基于ＤＤＡ方法的８１０１工作面开采沉陷数值模拟分析 第２９卷第９期
４　支架稳定性控制效果分析
２３１１工作面过断层及陷落柱时，由于煤层及顶板岩性破碎，液压支架容易出现失稳，通过采取支架稳定性控制措施后，支架稳定性显著提升。

通过监测支架工作阻力得出，在采面过断层、陷落柱时支架的初撑力、工作阻力呈正态分布，表明支架受力状态均衡，受力状态完好。

采面液压支架工作阻力最大为６５２６．３ｋＮ，均值为５９８６．２ｋＮ，分别为支架额定工作阻力的８８．５％和８３．２％，支架支撑顶板的作用显著发挥，同时支架未出现歪斜、倾倒等不良现象。

５　结　语
针对常村矿大倾角工作面在过地质构造时，通过严格控制采高、提高支架工作阻力及采面调斜、注
浆加固、带压移架等措施，避免了顶板、煤壁垮落及
片帮，提高了采面液压支架稳定性，保障了工作面的安全高效回采。

参考文献：
［１］　李振发．综放工作面过陷落柱支架稳定性控制技术研
究［Ｊ］．西部探矿工程，２０１９，３１（１２）：９１－９２．［２］　解盘石，田双奇，段建杰．大倾角伪俯斜采场顶板运移
规律实验研究［Ｊ］．煤炭学报，２０１９，４４（１０）：２９７４－２９８２．
［３］　梁红瑞．急倾斜仰采中厚煤层工作面支架稳定性因素
分析［Ｊ］．中国矿山工程，２０１９，４８（４）：５５－５８．［４］　袁　铿．构造区大角度综放工作面支架稳定性控制技
术［Ｊ］．江西煤炭科技，２０１９（３）：１０２－１０４．
［５］　冯智刚．大倾角条件下液压支架结构优化分析［Ｊ］．中
国石油和化工标准与质量，２０１９，３９（７）：１３８－１３９．［６］　罗生虎，伍永平，解盘石，等．大倾角大采高综采工作
面支架受载与失稳特征分析［Ｊ］．煤炭学报，２０１８，４３（１２）：３３２０－３３２８．
［责任编辑：王伟瑾檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱檱］
（上接第４５页）在前方Ｆ２８９
断层附近。

因此，在靠近断层时，需要提高液压支架支撑力，防止发生冲击地压。

由于此时采空区较大，导致采空区塌陷区域较大，传播到地表时，沉陷较为严重，见图２（ｃ）。

４）　当工作面推进５００ｍ时，采空区穿过Ｆ２８７
、Ｆ２８８、Ｆ２８９
三条断层。

应力集中区往后发生转移，且又返回集中在断层附近。

此时岩层塌落严重，并且诱发地表沉陷严重。

地表沉陷处不再是规则抛物线形，有局部区域出现隆起现象，见图２（ｄ），隆起区域都集中在断层露头周围。

此时椭圆形应力场进一步扩大。

５）　当工作面推进到６００ｍ时，岩层塌落已经很严重，尤其是在断层附近，所诱发地表沉陷很严重，并且地表沉陷区断层附近隆起区域进一步扩大。

此时椭圆形应力场在水平方向上扩大，在垂直方向上基本不变，如图２（ｅ）。

这也表明此时发生冲击地压的可能性不大，但塌陷却很严重。

因此在工作面回采通过该区域时，要防治大面积的岩层塌落，要提前做好防范准备，提高液压支架支撑力。

综上所述，断层对沉陷的影响很大，在开采通过断层时，断层附近的应力场出现了很大的变化，椭圆形应力场不是直接随着开采扩大，而是在断层附近应力升高，积聚了大量的能量。

随着开采的进一步推进，由于断层的积聚能量释放出来，椭圆形的应力场又随着开采的推进而扩大，变化也趋于稳定。

而这些积聚的能量的释放，将有可能导致地表发生大面积塌陷。

４　结　语
１）　８１０１工作面回采初期，关键层为采空区上
方直接顶，而随着回采进程的不断推进，采空区面积不断增大，所担负承载的关键层也随着应力场分布变化垂直向上移动，直至地面。

２）　待工作面推进２００ｍ时，工作面穿过Ｆ２８７断层，断层附近出现明显垮落，且受到断层影响，离层范围增大，且延伸至地面，地面出现局部沉陷。

３）　断层的存在对采空区上覆岩层的变形和破坏影响较大，所诱发的地表沉陷更为严重，并且地表沉陷区断层附近隆起区域进一步扩大，且造成应力变形集中，而随着工作面推进远离断层，应力集中发生转移。

参考文献：
［１］　邬爱清，任　放，董学晟．ＤＤＡ数值模型及其在岩体工
程上的初步应用研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，１９９７，１６（５）：４１１－４１７．
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布与变形移动的ＤＤＡ模拟［Ｊ］．岩土工程学报，２００７，２９（２）：２６８－２７３．
［４］　郑　楠．岩质边坡稳定性的数值分析及其应用［Ｄ］．大
连：大连理工大学，２０１３．
［责任编辑：王伟瑾］
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５２０２０年９月 姚　鑫：２３１１综放工作面过陷落柱支架稳定性控制技术 第２９卷第９期。