构造应力和节理耦合对采煤沉陷的控制作用分析

　　摘要：为了提高采煤沉陷设计计算的精确性，掌握构造应力和节理耦合对采煤沉陷的控制作用，采用FLAC有限差分程序建立数值模拟模型，分析不同构造应力和不同节理条件下对采煤沉陷的影响，为采煤沉陷预防提供一种有效的设计分析手段。
　　
　　关键词：采煤沉陷；构造应力；节理耦合；数值模拟。
　　
　　煤矿区通常处于两种基本的构造应力状态，即挤压构造应力场与拉张构造应力场，而前者为主要的一种。地壳上部岩石中节理是发育最广的一种断裂构造，节理的存在极大地削弱了岩石的力学强度，并对岩石的再变形与再破坏造成影响。在煤矿开采前进行采煤沉陷计算，能够尽量避免矿区地面的沉陷、断裂和断陷情况的发生，实现对生态环境与土地资源的保护，并同时取得较好的社会效益与经济效益。目前我国多数采煤沉陷计算普遍采用“基于随机介质理论的概率积分法”,但是该方法并未对普遍存在的节理构造与应力环境进行考虑，造成采煤沉陷预测与实际误差较大。因此，需要提高采煤沉陷计算的精确性，为预防采煤沉陷提供理论、技术支持。本文提出了一种新型的采煤沉陷模型，适合不同构造应力环境不同节理下对采煤沉陷的影响分析。
　　
　　1、数值计算模型的建立。
　　
　　1.1构造应力设计。
　　
　　通过大量的研究发现，构造应力与深度有着较大的关系，构造应力随着深度的增加而增加，并且这种变化梯度在工程范围内比自重应力要大。这里设水平应力与自重应力的比值为λ，其中挤压应力与自重应力的比值为λ1,当深度≤100m时，λ1按照1.5~5.0分布；当深度>100m时，λ1按照0.5~2.5分布。由于岩石本身的力学性质使挤压构造应力远大于拉张构造应力，因此设拉张构造应力与自重应力比值为λ2,λ2通常<0.5.为了分析不同构造应力与节理倾角耦合作用对采煤沉陷的影响，将λ1分别设为0.1,0.5,1.0,1.5,2.0;将λ2分别设为0.005,0.01,0.05,0.1,0.5.
　　
　　1.2节理倾角设计。
　　
　　当岩层受到构造应力会发生位移或者产生极小的裂缝，这就是所说的节理，在岩层大的构造运动中将产生大量节理，这些节理的倾角、密度对采煤沉陷有着明显的控制作用。
　　
　　为了研究在一定构造应力下节理倾角对采煤沉陷的影响，本模型设计了两组倾向相反，而密度与力学性质相同的节理，一组节理倾角不变，另一倾角设为0°、30°、60°和90°。
　　
　　1.3构造应力与节理倾角耦合模型。
　　
　　将上述构造应力与节理倾角进行耦合，能够派生多个不同模型，构造应力与节理倾角考察的时间间隔越短，精确度越高，但是由于模型过多，所以时间耗费多。因此本设计采用FLAC有限差分程序，以某矿的实际煤层赋存为试验的原型，建立4类55个试验模型，每个模型含1层煤层、1层底板和15层覆岩，模型的尺寸与力学参数参考夏玉成等人的模型[2].表1为节理几何与力学参数。各个模型的尺寸为1000m×20m×432m,开采的深度为400m,厚度为2.0m,共18000个单元；采空区尺寸为（320×20×2）m3,离边界各340m.
　　
　　1.4模型类别。
　　
　　（1）建立25个节理化挤压应力模型考察采煤沉陷特征，在考虑覆岩自重应力的基础上，向X,Y方向施加数值为λ1倍自重应力的挤压应力，λ1分别输入0.1,0.5,1.0,1.5,2.0,节理倾角输入无节理、0°、30°、60°和90°。
　　
　　（2）建立25个节理化拉张应力模型，在考虑覆岩自重应力的基础上，向X,Y方向施加数值为λ2倍自重应力的拉张应力，λ2分别输入0.005,0.01,0.05,0.1,0.5,节理倾角输入无节理、0°、30°、60°和90°。
　　
　　（3）建立4个无构造应力节理化模型，节理倾角分别为0°、30°、60°和90°。
　　
　　（4）建立1个既无构造应力也无节理构造模型。
　　
　　此外，为了使模型与实际情况相符，本设计根据几何损伤理论的裂缝张量与摩尔库伦模型，构建了初始损伤节理岩体弹塑性本构模型。
　　
　　1.5约束边界条件。
　　
　　模型边界约束条件包括左右边界单边约束u=0,V≠0,W≠0;前后边界单边约束u≠0,V=0,W≠0;底边界全约束u=0,V=0,W=0;上边界为自由边界。
　　
　　2、模拟计算结果分析。
　　
　　2.1构造应力对节理地层下沉的影响分析。
　　
　　对采煤开挖影响进行模拟，在模型构建完成后研究沉降值，进而获得构造应力与节理耦合状态下的地面最大沉降值。沿着开采方向提取主断面下沉值，并绘制下沉曲线。结果发现，当挤压构造应力为自重应力的0.5倍，节理倾角在0°、30°、60°和90°，拉张构造应力为自重应力的0.5倍，节理倾角在0°、30°、60°和90°时，无节理情况下采煤的沉陷最小，并且下沉值随着倾角的增大而增加，当节理倾角为90°时，地表下沉达最大值；在无节理时，采煤沉陷范围最大，并随着倾角的增大，范围缩小，在倾角为90°时，沉陷范围最小。因此，在挤压构造应力或者拉张构造应力环境下，只要存在节理，下沉值均增大，并与节理的倾角呈正相关关系，而沉陷范围则与倾角呈负相关关系。构造应力为0.5倍的自重应力时，不同节理倾角下的地表下沉曲线见图1.
　　
　　在相同量值的的挤压构造应力与拉张构造应力环境，同一节理倾角下，挤压构造应力下的最大地表下沉值小于拉张构造应力下的最大地表下沉值，而下沉范围增大，而无构造应力的地标下沉值则处于两者之间。这表明，拉张构造应力将增强采煤沉陷，而挤压构造应力能够减缓采煤沉陷。
　　
　　在节理倾角一定时，挤压构造应力越大，地表下沉值越小，下沉值与挤压构造应力呈负相关关系；拉张构造应力越大，地表下沉值越大，下沉值与拉张构造应力呈正相关关系。
　　
　　2.2构造应力对节理岩层的影响分析。
　　
　　这里对同一倾角30°下，挤压构造应力、拉张构造应力为自重应力0.5倍的不同构造应力下的主断面最大主应力进行对比，结果发现（见图2、图3），在拉张构造应力下，拉张应力分布范围较广，并且呈连续分布；在挤压构造应力下，拉张应力分布范围小，并且不连续，这表示在挤压构造应力与拉张构造应力条件下的采煤沉陷是不同的。因为岩层本身的抗压强度远远超过抗拉强度，因此很小的拉张构造应力就会在节理面、节理交接处集中应力，对岩体造成破坏；而在挤压构造应力下，岩层节理面与岩层空隙会被挤压，增加节理面的接触，增大摩擦力与摩擦系数，因此采煤沉陷不容易发生，只有当挤压构造应力超过岩层抗压强度后，岩体才会被破坏。节理属于岩层的初始损伤，在采煤时对上层岩层造成扰动后，节理将被激活甚至扩大，进而导致采煤沉陷的发生。
　　
　　当节理倾角为0°，节理面与岩层层理方向、构造应力平行，受到构造应力时，岩层层理方向应力集中，从而造成岩体破坏。当地表位移增加、面积变形增加时，节理的倾角就会增大，并开始出现重力作用分量，而这种重力作用分量就会加剧采煤沉陷的发生。
　　
　　3、结语。
　　
　　本文提出了一种采用FLAC有限差分程序，以某矿的实际煤层赋存为试验的原型，建立了4类55个采煤沉陷的模型，通过建模后构造应力对节理地层下沉的影响分析、构造应力对节理岩层的影响分析发现，采煤沉陷与构造应力与节理倾角有直接影响，这同时也表明了采煤前进行采煤沉陷计算的重要性，只有提高采煤沉陷计算的精确性，才能有效预防控制采煤沉陷。
　　
　　参考文献：
　　
　　〔1〕贾晓峰。构造应力与节理耦合对采煤沉陷的控制作用分析研究[J].山东煤炭科技，2014,（10）。　　
　　〔2〕孙学阳，夏玉成。节理化覆岩在构造应力作用下对采煤沉陷的影响[J].矿业研究与开发，2014,（3）。　　
　　〔3〕李晓军。采煤沉陷控制中构造压力与节理耦合的作用分析[J].科技风，2011,（17）。