15-05-地表残余沉陷变形机理数值模拟与预计参数分析-2016年第2期

岩下沉量及下沉增量，从岩层移动的角度，可以将 的过程中，覆岩沉陷增量则由下至上累积增加，如
采动沉陷过程分为 3 个阶段。
采空区上方 20m，40m，60m，80m，100m 岩层沉
表 1 采动过程中覆岩下沉量及下沉增量
陷量从 10 至 12. 2 个时间步时分别增加了 0. 2m，
监测 时间步
0 5. 5
显的 “三带” （ 垮落带、断裂带和弯曲带） 破坏特 “中间大，两侧边缘小” 的特点，这是由于采空区 征［7－8］，“三带” 覆岩内产生大量新生空间 （ 空洞、 上方覆岩移动量主要是由荷载作用下的空隙再压实
裂缝、离层） ，使得覆岩移动在向地表传播的过程 引起的； 煤柱上方覆岩移动量则是由荷载作用下岩
如采空区 上 方 20m 岩 层 下 沉 由 开 始 的 0mm 增 至
为更好体现采空区破裂岩体的密实效果，在模
5. 5 个时间步时的 486. 5mm，到第 6 个时间步时则 拟工作面开采计算达到平衡状态后，对地表进行了
迅速增至 1530. 6mm； 开采沉陷在向地表传播的过 均布 加 载，模 拟 地 表 建 筑 荷 载，荷 载 大 小 为 18
［摘 要］ 采用数值模拟计算，通过对覆岩移动过程的模拟研究，指出了地表沉陷由岩体变形
破坏到岩体密实沉陷的发展过程，揭示了岩体密实沉陷延续是引起地表残余沉陷变形的机理； 通过对
岩体密实阶段地表沉陷分布规律的模拟研究，证实地表残余变形可以用概率积分法进行预计。根据数
值模拟及现场实测数据，确定了长壁开采条件下地表残余沉陷变形的概率积分法预计参数。
［关键词］ 残余沉陷变形； 数值模拟； 沉陷过程； 预计参数； 长壁开采
［中图分类号］ TD325 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1006-6225 （ 2016） 02-0029-04
Forecast Parameters and Numerical Simulation of Mechanism of
6. 0
W 1530. 6 1456 1213. 7 992. 5 28. 4
空洞、裂缝、离层等空隙再压实引起的［9］。从 力
10
W 2261. 8 2163. 5 2063. 1 1995. 7 1926. 7
学机理上讲，该阶段地表沉陷主要是由于上覆岩体
12. 2
W 2262. 0 2164. 1 2064. 2 1997. 5 1936. 8
炭 ac 开采沉陷延续时间较长，地表将在很长时间内 in 存在 残 余 沉 陷 变 形，对 采 煤 塌 陷 区 地 表 新 建 建 煤 h （ 构） 筑物产生不利影响。因此，了解和掌握采煤 国 .c 塌陷区地表残余沉陷规律十分重要。但是，限于采
煤塌陷区地表残余沉陷延续时间长、数值较小，一
中 w 般难以用实测方法掌握其全部发展规律。目前，对 w 采煤塌陷区地表残余沉陷变形的预测已有了一些研 w 究［1－3］，对采煤塌陷区建设利用具有一定的指导意
中出现衰减。从力学机理上讲，该阶段地表沉陷来 层的压缩引起的。但在采空区上方地表，边缘附近
源于煤层开采致上覆岩体力学失稳，覆岩相继发生 移动量明显比其他区域要大，这主要是由于采空区
30
易四海： 地表残余沉陷变形机理数值模拟与预计参数分析
2016 年第 2 期
边缘附近存在较多的空洞。
公式可表示为：
qr（ t） = a·e －bt
及拟合曲线。由图 4 可以看出，采空区在地表均布 设定为工作面停采时间，拟合数据包含了岩体变形
加载作用下，地表下沉分布仍为中部下沉量大、两 破坏及过渡阶段的地表沉陷实测数据。而实际上，
侧边缘下沉小的盆形特点，只在采空区边缘附近下 地表残余沉陷变形是岩体密实沉陷延续在地表的一
沉量比采空区中央大，但整体符合正态分布。概率 种显现，在对地表移动有限时间段内实测数据进行
程中，覆岩沉陷增量自下往上递减，至地表时值最 kN / m，范围为整个上部自由边界。
小，如采 空 区 上 方 20m，40m，60m，80m，100m
图 3 为数值模拟在均布加载作用下采空区覆岩
岩层 沉 陷 量 从 5. 5 至 6 个 时 间 步 时 分 别 增 加 了 下沉云图。由图 3 可以看出，在竖直方向上，采空
［引用格式］ 易四海 . 地表残余沉陷变形机理数值模拟与预计参数分析 ［J］ . 煤矿开采，2016，21 （ 2） ： 29－32.
29
总第 129 期
煤矿开采
2016 年第 2 期
点从开采至沉陷稳定时的下沉量变化曲线。该曲线 一系列变形破坏 （ 冒落、断裂、弯 曲） 引 起 的。
簇可解读为岩层内测点下沉量随时间的变化。由图 因此，可定义该阶段为岩体变形破坏阶段。
揭示岩层与地表移动的机理与规律。 图 2 为数值模拟采空区上方不同高度岩层内测
［收稿日期］ 2015－08－19
［DOI］ 10. 13532 / j. cnki. cn11－3677 / td. 2016. 02. 009
［基金项目］ 国家自然科学基金项目 （ 51474129）
［作者简介］ 易四海 （ 1980－） ，男，湖北公安人，副研究员，博士，主要从事开采沉陷规律与 “三下” 采煤方面的研究工作。
积分法的拟合结果为： 拟合下沉系数 0. 14，拟合 地表残余变形概率积分法拟合求参时，应剔除掉地
t rienced the process that from rock mass deformation to rock mass subsidence，it revealed that rock mass subsidence development was 网 e reasons that induced surface residual subsidence deformation． Surface residual deformation could be predicted by probability integral
数，为采煤塌陷区地表安全利用提供理论依据。
行描述。而实际上，地表移动是岩层移动的延伸和
表象，岩层移动是发生在岩体内部的力学现象，只
1 采煤沉陷数值模拟
有从岩层移动的角度来研究地表沉陷过程才能真实
采用离散元法进行模拟试验。试验设计煤层采 厚 M = 3. 0m，采 宽 L = 125m，倾 角 α = 0°，采 深
（ 1）
式中，a 为地表最终残余下沉系数； b 为地表残余
下沉收敛系数。 目前，大多数学者［9，11－12］对其拟合多取工作面
停采后的实测数据，致使 a，b 取值相差悬殊，不
图 3 均布加载作用下采空区覆岩下沉
具备推广应用价值。究其原因，主要是未从机理上
图 4 为在均布加载作用下采空区上方地表移动 认清地表残余沉陷变形的沉陷本质，将时间参数 t
Surface Ｒesidual Subsidence Deformation
YI Si-hai
（ CCTEG Tangshan Ｒesearch Institute，Tangshan 063012，China）
Abstract： Overburden strata movement process was studied by numerical simulation，the results showed that surface subsidence expe-
5. 5 ～ 6. 0 ΔW 1044 1040 1008. 7 988. 9 20. 9
10 ～ 12. 2 ΔW 0. 2
0. 6Baidu Nhomakorabea
1. 1
1. 8 10. 1
注： ΔH 为岩层距煤层顶板高度，m； W 为下沉量； ΔW 为下沉
t 增量。
中国煤w炭.c期hi刊na网caj.ne 图2 岩层内测点下沉量随时间变化曲线 w 前一阶段为煤层开采至停采之初 （ 大致为 0 ～ w 6 个监测时间步） ，该阶段覆岩沉陷量迅速增大，
下沉 测点 1 量 / mm ΔH = 20
W
0
W 486. 5
测点 2 ΔH = 40
0 416. 0
测点 3 ΔH = 60
0 205. 0
测点 4 测点 5
ΔH = 80 ΔH = 100
0
0
3. 6
7. 5
0. 6m，1. 1m，1. 8m，10. 1m，增 加 值 由 下 往 上 递 增。这是因为此阶段覆岩内残留的空洞、离层、裂 缝等空隙逐渐被压实，覆岩移动是由覆岩内残留的
long wall mining situation were confirmed.
期 a Key words： residual subsidence deformation； numerical simulation； subsidence process； predicting parameters； long wall mining
第 21 卷 第 2 期 （ 总第 129 期） 2016 年 4 月
煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY
Vol. 21No. 2 （ Series No. 129） April 2016
地表残余沉陷变形机理数值模拟与预计参数分析
易四海
（ 中煤科工集团 唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012）
1044m，1040m，1008. 7m，988. 9m，20. 9m，增加 区上覆破碎岩体内残留空隙由于在均布加载作用下
值由下往上递减。究其原因是因为此阶段覆岩在一 进一步密实，岩体沉陷量由下至上累积增加，至地
系列复杂的受力变形时空变化后，在竖向上形成明 表值最大； 在水平方向上，覆岩移动量整体符合
2 可以看出，上覆岩体在开采之初，岩体下沉迅
后一阶段为工作面停采一段时间后 （ 大致为 9
速，经过一段时间后，岩体下沉变化趋缓，直至沉 个监测时间步之后） ，该阶段覆岩沉陷量缓慢增
陷最终收敛于某一最大固定值。表 1 统计了工作面 加，如采空区上方 20m 岩层下沉由 10 至 12. 2 个时
开采至计算结束覆岩的下沉量及下沉增量。根据覆 间步时只增加了 0. 2mm； 开采沉陷在向地表传播
method according numerical simulation of surface subsidence distribution law during rock mass subsidence stage. On the basis of numer-
刊 j.n ical simulation and measured data，predicting parameters of probability integral method of surface residual subsidence deformation with
带来了一定的安全隐患。
地下煤层采出后引起的地表沉陷是一个时间和
为此，本文采用数值模拟计算，研究覆岩移动 过程及地表残余沉陷变形的分布规律，依据实测数
空间过程。由于地表沉陷孕育与发展过程非常复 杂，许多学 者 从 不 同 的 角 度 对 其 进 行 了 研 究［4－6］，
据建立地表残余沉陷变形的预计方法并确定相关参 这些研究多从地表点的移动量及剧烈程度的角度进
应力重新得到恢复，岩层在上覆荷载作用下岩体逐 渐密实后产生的。因此，可定义该阶段为岩体密实 沉陷阶段。
中间阶段大致在 6 ～ 9 个监测时间步，此阶段 覆岩移动虽然依旧发育，但明显由剧烈变缓慢，下 沉速度衰减很快。此阶段，覆岩应力由卸载状态逐 渐向自然重力恒载状态恢复，在竖直方向上覆岩移 动是由变形破坏和密实混合产生的，为岩体变形破 坏到岩体密实沉陷的过渡阶段。
H0 = 100m，松散层厚度 Hs = 20m，基 岩 厚 度 Hj = 80 m，基岩由 砂 岩、 泥 岩 和 砂 质 泥 岩 等 岩 性 组 成。 图 1 为数值计算模型网格剖分图。
图 1 数值计算模型剖分
义，但在对残余沉陷变形预测参数取值时大多凭经
验，缺乏足够的理论支持，给采煤塌陷区地表建筑 1. 1 地表沉陷过程
根据 “三下” 采煤规程［9］定义，地表残余沉 陷为地表在 “移动期结束” 后还将可能产生的少 量残余下沉和变形值。地表的残余沉陷阶段下沉速 度缓慢，岩体应力应恢复至自然重力恒载状态，残 余沉陷变形主要由岩体在自然重力恒载状态密实引 起，数值模拟反映的覆岩移动过程可以看出，地表 残余沉陷是岩体密实沉陷延续在地表的一种显现。 1. 2 岩体密实沉陷阶段地表沉陷变形分布规律