一种深部重复采动下地表沉陷模拟分析方法及相似材料试验模型

摘要

一种深部重复采动下地表沉陷模拟分析方法及相似材料试验模型，属于采矿及岩土工程技术领域。对于煤炭深部重复开采引起的地表沉陷问题，采用相似材料模型试验和FLAC3D软件数值模拟分析相结合的方法，建立矿区三维相似材料试验模型和三维数值模拟模型，模拟在煤炭重复开采过程中引起的地表沉陷、上覆岩层移动变形的情况；其中相似材料模型试验根据相似理论建立地表沉陷实验模型，确定相似比制作不同配比的标准试件，制定监测方案及开挖方案，统计实验数据；数值模拟分析根据开采时矿区的实际地质条件，利用FLAC3D软件建立三维数值计算模型，确定边界条件及开挖方案，将数值模拟结果与相似材料模拟试验结果进行对比分析，得出深部重复采动下地表沉陷的规律。

说明书

技术领域

本发明涉及一种深部重复采动下地表沉陷模拟分析方法及相似材料试验模型，属于采矿及岩土工程技术领域。

背景技术

随着采矿技术的不断发展，煤炭开采工作面的深度、广度和强度都在不断增强，当在同一水平煤层重新开辟不同的工作面或者在原煤层不同水平工作面进行煤炭开采时，就会涉及重复采动的情况，重复采动在我国煤矿开采中普遍存在。重复采动与初次开采不同，岩层受到二次扰动，原开采下的岩层平衡被打破发生新的变形移动，其对地表造成的破坏更为严重，容易造成地表塌陷、水土流失、地质构造活化等情况，还会影响范围内的建筑物、桥梁、公路等设施。目前，针对煤炭开采引起的地表沉陷问题，多针对浅埋单一工作面开采进行试验和分析，采用相似材料模型试验或数值模拟试验，很难对深埋重复开采下的地表沉陷问题作较为全面的分析，因此，本发明为深部重复采动下地表沉陷问题研究提供了一种相似材料模型试验和数值模拟试验相结合的分析方法，对重复采动下地表沉陷的相关规律研究具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供深部重复采动下地表沉陷试验模型及模拟分析方法，采用相似材料模型试验和FLAC3D软件数值模拟分析相结合的方法，建立矿区三维相似材料模型和三维数值模拟模型，模拟在煤炭开采过程中引起的地表沉陷、上覆岩层移动变形的情况。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种深部重复采动下地表沉陷模拟分析方法，其步骤为：

1)利用FLAC3D三维数值分析软件，根据矿区地质条件及开采方式建立三维数值模拟模型。

三维数值模拟模型的建立方法，具体为：

1-1)根据FLAC3D研究对象的实际地质情况和岩层性质选取选择摩尔-库伦本构模型；

1-2)赋予模型相应参数，包括弹性体积模量、内聚力、剪胀角、内摩擦角、弹性切变模量、抗拉强度力学参数；

1-3)在具体实际工程中至少需要提供切向刚度和法向刚度；对模型的位移边界、速度边界、应力边界进行设定；

1-4)设定开采方案，对模型进行运行处理；

1-5)对得出的模型计算结果，分析地表沉陷、上覆岩层位移变化及上覆岩层应力变化，得出地表沉陷下沉量、上覆岩层位移量、上覆岩层应力变化与开采方式和开采推进量之间的关系。

2)采用相似材料试验模型和步骤1)所述的三维数值模拟模型相结合，通过将三维数值模拟模型计算的结果和相似材料试验模型的结果进行对比，分析得出深部重复采动下地表沉陷的规律。

相似材料试验模型的建立方法，具体为：

2-1)分析研究区域的地质条件和岩层性质，模型和实际地层间需满足几何相似、运动相似和动力相似三方面的相似；

2-2)相似模型的骨料使用河砂，胶结材料使用石膏、石灰，片状云母作为相似模型各个模拟岩层间的分层材料使用，最后按照不同的配比制作标准件，测试它们的各项强度，得出相似材料模型各岩层所需的用量；

2-3)受实验条件及研究区域实际情况控制，在模型实际铺设过程中，当岩层厚/采深＜ 1/40时或岩性相近的相邻岩层合并为同一岩层，最后结合实验台尺寸，确定实验所用材料用量；

2-4)安装实验台背面挡板，于背面挡板上标记出模型的建造线，安装第一块正面挡板后，准备配置实验材料进行模型堆砌，根据实验前计算完成的相似材料模型各岩层材料配比及材料用量，使用电子秤称量出全部所需材料，加入定量的水进行搅拌直至均匀混合，将配置好的材料倒入实验台，进行铺平、砸实后，均匀倒入片状云母进行分层，按照上述流程将模型堆砌完毕后，将正面挡板全部安装到实验台，让模型静置一段时间以干燥定型，待模型完全干燥后，将正面挡板完全取下，布设位移监测所需的监测圆点，监测点设置完成后在模型正面安装准备好的塑料挡板，架设CCD相机，准备对模型进行模拟开挖；

2-5)模型采用散斑法对覆岩及地表移动进行监测，监测设备使用CCD相机进行拍摄，拍摄频率为2S/次，将应力传感器分别布置在煤层和顶板岩层中进行应力变化监测；

2-6)分析地表沉陷、上覆岩层位移变化及上覆岩层应力变化，得出地表沉陷下沉量、上覆岩层位移量、上覆岩层应力变化与开采方式和开采推进量之间的关系。

相似材料试验模型包括相似材料模型装置主体(1)，和主体结构(1)内部的相似材料 (2)；所述的相似材料模型装置主体(1)包括竖直梁(12)和水平梁(13)，竖直梁 (12)带有竖直标尺(15)，水平梁(13)带有水平标尺(14)；所述的相似材料(2)由下部的煤层(21)和上部的岩层(22)组成。

所述的竖直梁(12)与水平梁(13)为一体式结构。

所述的相似材料模型装置主体(1)的底部设有挡板支架(16)和支撑立柱(11)。

所述的竖直标尺(15)和水平标尺(14)的最小刻度为毫米。

本发明创造的有益效果：

(1)目前相似材料试验模型多采用平面模型，对岩层和边界条件进行大量简化，与现场存在较大差异，也难以模拟多工作面重复开采工况，本发明采用三维相似材料试验模型，可以模拟多工作面重复采动下的地表沉陷状况。(2)FLAC3D是最常用的地质和岩土工程数值分析软件之一，特别适合构建复杂本构关系模型和求解非线性大变形问题，实现大区域复杂地层与复杂重复开采工况的模拟，直观地反映出真实煤层开采引起的地表沉陷状况，并有效减少实验材料的消耗，节约了成本。(3)FLAC3D对于煤层覆岩离层及裂隙分布模拟存在欠缺，而相似模型试验可直观地观察覆岩离层开裂和“三带”分布，并通过位移和应力监测获取关键层破断、覆岩裂隙和离层规律，从而弥补数值模拟的不足。(4)由于深部开采时地层的复杂性和开采工况的多变性，单纯依靠相似材料模型试验和数值模拟均难以对复杂地质条件下的深部重复采动过程实现准确模拟，采用相似试验-数值模拟联合已成为地表沉陷精准预测的客观要求。(5)依据本发明所建立的方法，开展相似实验与数值模拟综合研究和对比分析，获得地表沉陷的范围、速度、岩移参数，覆岩位移、应力、离层和裂隙演化规律，剖析开采地表沉陷致灾机理，为现场地表沉陷精准预测和后期土地复垦提供可靠依据。

附图说明

图1为深部重复采动下地表沉陷模型试验及模拟分析方法技术路线图。

图2为相似材料模型试验装置主视图。

图3为相似材料模型试验装置左视图。

图4为相似材料模型试验装置俯视图。

图5a为开采1/4工作面时FLAC3D数值模拟计算地表沉陷结果图。

图5b为开采1/2工作面时FLAC3D数值模拟计算地表沉陷结果图。

图5c为开采3/4工作面时FLAC3D数值模拟计算地表沉陷结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明创造实施例中的附图，对本发明创造实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明创造一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1：

一、相似材料模型试验：

按照相似理论使模型对应量满足一定的比例关系，即模型和实际地层间需要满足以下方面的相似：

①几何相似

相似材料模拟实验为了反应真实地层的变化规律，需要将作为研究对象的原型地层各项尺寸按照一定比例放缩。

式中：α

由于实验室条件与操作难度等方面限制，模型的相似比通常为α

②运动相似

为保证实验效果，实验模型与实际地层的所有对应点要求满足运动情况相似，即速度、加速度、运动时间满足一定比例。

式中：α

③动力相似

本次相似实验的目的是研究地表沉陷的情况，所以要考虑重力的作用，这就需要使模型与实际地层间重力相似。

P

P

式中：P

在满足几何相似的前提下满足重力相似，这就要使r

由上述三个比尺α

μ

式中：α

2)相似材料的制作：相似模型的骨料使用河砂，胶结材料使用石膏、石灰，片状云母作为相似模型各个模拟岩层间的分层材料使用。最后按照不同的配比制作标准件，测试它们的各项强度，得出相似材料模型各岩层所需的用量；

3)材料用量的计算：本次模拟实验使用的实验台尺寸为长×高×厚＝2.0m×2.0m×2.0m，如图2所示。受实验条件及研究区域实际情况控制，在模型实际铺设过程中，一些较薄的或组成物质力学性质及岩性相近的岩层可视为同一岩层。最后结合实验台尺寸，确定实验所用材料用量。取材料损失系数为1.2进行计算各层材料用量，每一个模拟地层为一个计算单元，材料基本计算公式如下：

G

式中：G

4)模型的制作：①安装实验台背面挡板，于背面挡板上标记出模型的建造线；②安装第一块正面挡板后，准备配置实验材料进行模型堆砌；③根据实验前计算完成的相似材料模型各岩层材料配比及材料用量，使用电子秤称量出全部所需材料，加入定量的水进行搅拌直至均匀混合。将配置好的材料倒入实验台，进行铺平、砸实后，均匀倒入片状云母进行分层；④按照上述流程将模型堆砌完毕后，将正面挡板全部安装到实验台，让模型静置一段时间以干燥定型；⑤待模型完全干燥后，将正面挡板完全取下，布设位移监测所需的监测圆点，监测点设置完成后在模型正面安装准备好的塑料挡板，架设CCD相机，一切就绪后即可准备对模型进行模拟开挖；

5)制定模型监测方法与开挖方案：模型采用散斑法对覆岩及地表移动进行监测，从模型距地表5cm的岩层处开始布设位移监测点，水平方向与竖直方向监测点间隔为5cm，由上至下依次设置监测线编号。监测设备使用CCD相机进行拍摄，拍摄频率为2S/次。将应力传感器分别布置在煤层和顶板岩层中进行应力变化监测。开采从模型第一煤层工作面(21b)20cm处开切眼开始挖掘，一直向右侧推进60cm后停止；继续从第二煤层工作面 (21a)左侧开始挖掘相邻工作面，同样推进60cm后停止挖掘。此次挖掘过程不设停留时间，连续挖掘直至两工作面开采完毕。

二、FLAC3D数值模拟方法：

1)几何模型的创建：FLAC3D网格形状库中提供了十二种基本网络形状，实验根据研究对象的实际地质情况选取合适的几何模型；

2)本构模型的选择：FLAC3D内置常用的11种模拟材料的本构模型，结合模型的运行情况和实际工程概况确定所要选择的能反应实际问题的本构模型。在煤层开采工程中，一般选择摩尔-库伦模型；

3)模型参数的设置：按照所研究对象的地质条件和研究目的，赋予模型相应参数，包括弹性体积模量、内聚力、剪胀角、内摩擦角、弹性切变模量、抗拉强度等力学参数；

4)接触面的设置：接触面具有一定的参数，包括：切向刚度、法向刚度、剪胀角、内聚力及摩擦角等，在具体实际工程中至少需要切向刚度和法向刚度；

5)确定数值模型边界条件：根据研究目的，对模型的位移边界、速度边界、应力边界等进行设定；

6)数值模型开采方案设计：根据研究对象的实际开采方式和研究目的，设定开采方案，对模型进行运行处理。

7)如图5a、图5b和图5c所示，图片左侧为垂直位移图例，图片右侧为煤层开挖后的沉陷结果云图，其中图5a为开采1/4工作面时的地表沉陷结果，图5b为开采1/2工作面时的地表沉陷结果，其中图5c为开采3/4工作面时的地表沉陷结果，通过沉陷结果云图颜色的深浅和垂直位移图例相对照，可以看出地表沉陷量。