风积沙厚度影响下特厚煤层开采基岩-地表沉降传导机制

摘要

风积沙覆盖区煤矿开采地表下沉是基岩下沉和风积沙松散层响应流动的耦合破坏，风积沙赋存特性对地表变形具有显著影响.为了揭示神东矿区高强度开采扰动下风积沙松散层厚度对基岩-地表沉降传导的影响机制，本文结合现场实测、理论分析、数值模拟等方法研究了风积沙覆盖区基岩-地表沉降传导特征.基于风积沙、基岩的物理力学特性差异及其互馈作用构建了基岩-地表沉降传导模型，并利用弹性地基梁理论提出了充分采动条件下考虑基岩、风积沙松散层双介质的地表沉降预计公式.进一步提出了基岩-风积沙双介质的块体-颗粒离散元组合模拟方法，通过风积沙松散层模型底部应力与基岩顶部破坏形态的循环传导实现了基岩-地表动态耦合变形模拟，揭示了基岩-地表沉降传导特征，并阐述了不同风积沙厚度影响下地表沉降特征.实测结果表明：基岩顶部相对地表沉降量仅为75～126 mm,说明了主关键层导控作用下岩土体协同沉降传导特性；风积沙厚度由9 m增加至23 m时地表下沉系数相对减小了6.45%～26.58%.模拟结果进一步显示风积沙厚度由8 m增加至40 m时，地表相对基岩下沉减小量由6.41%上升至12.82%,表明风积沙厚度的增加减缓了基岩沉降的传导.此外，不同风积沙厚度模型开采前后风积沙孔隙率平均增加了0.085 3,使得基岩下沉空间在向上传导过程中耗散在风积沙空隙中.通过现场实测、数值模拟、理论预测的相互对比验证，说明了数值模拟方法和考虑基岩、风积沙松散层双介质的地表下沉预测理论模型的可靠性.研究成果揭示了薄风积沙松散层、厚基岩条件下基岩对地表的导控特性和风积沙松散层对地表变形的缓冲作用，为神东矿区同类型矿井地表变形预计和防治提供了科学支撑.

关键词

高强度开采 / 风积沙厚度 / 覆岩沉降 / 沉降传导 / 耦合模拟

基金资助

国家自然科学基金项目(52474161,52404109); 鄂尔多斯市青年科技人才项目(RC20250108)