綜放開采下厚表土層移動規(guī)律研究

王 敏 張召千 袁 博

(1.陽泉市上社煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045100；2.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

綜放開采下厚表土層移動規(guī)律研究

王 敏1張召千2袁 博2

(1.陽泉市上社煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045100；2.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

為研究厚表土層在綜放開采條件下的移動規(guī)律，在長治礦區(qū)高河礦W1303工作面建立了地表巖移測站。通過對實測數(shù)據(jù)的分析得出了最大下沉點位于采空區(qū)上部Z29，Z30，Z32測點，并得出了一系列上覆巖層的移動角參數(shù)。通過理論分析，得出在綜放開采條件下上覆巖層的移動變形表現(xiàn)形式分為前期和后期兩種。同時得出影響上覆巖層移動的主要因素有上覆巖層巖性、關(guān)鍵層的位置及作用、開采尺寸、工作面推進速度及頂板管理情況等。并結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬軟件分別模擬了表土層厚度為140、190、240 m在回采過程中的地表移動規(guī)律，得出了表土層厚度為190 m與實際地表層厚度為189.43 m的移動規(guī)律相符。因此針對厚表土層在綜放開采條件下的巖層移動規(guī)律的研究可為長治礦區(qū)礦井建設(shè)提供一定的參考價值。

綜放開采 厚表土層 巖層移動 數(shù)值模擬

由于煤炭賦存狀態(tài)的復(fù)雜性，井工開采出煤炭資源后，很容易造成地表出現(xiàn)大面積裂縫和沉陷，從而嚴(yán)重威脅到地面建筑物的安全，同時也對礦區(qū)周邊環(huán)境，農(nóng)田植被造成了嚴(yán)重的危害[1]。因此對于典型地層環(huán)境的礦區(qū)，針對其地表規(guī)律的研究就顯得尤為的重要。本研究主要針對長治礦區(qū)高河礦W1303工作面厚表土層在綜放開采條件下的移動變形規(guī)律的研究[2]，通過現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬，初步掌握了厚表土層在綜放開采條件下的地表下沉影響范圍和巖層移動角等參數(shù)。這對指導(dǎo)其他礦井在類似地層條件下的“三下”采煤，煤柱留設(shè)，工作面布置，地面建筑物保護都具有十分重要的意義。

1 工作面概況

高河礦W1303工作面位于西一盤區(qū)中北西部，四周均未開采。工作面走向長約540 m，傾向?qū)?05 m，工作面從西向東推進，工作面平均推進速度為1.3 m/d。開采二迭系山西組3號煤，煤層平均厚度約為6.5 m，煤層傾角3°～14°，煤層上覆巖層總厚度為525 m，表土層厚度為189.43 m。占上覆巖層總厚度的35.6%。屬于厚沖積層上覆表土層。采煤方法為綜采放頂煤一次性采全高。

其中3號煤位于下二迭系山西組中下部，厚度大，層位穩(wěn)定，含泥巖、炭質(zhì)泥巖夾矸0～5層，一般1～2層。煤層頂板的巖性主要為泥巖、中砂巖、粉砂巖、較薄煤層、泥巖、中粒砂巖、粉砂巖等構(gòu)成。其工作面的頂?shù)装逯鶢顖D如圖1所示。

圖1 工作面頂?shù)装宓刭|(zhì)柱狀圖

2 上覆巖層移動變形機理及影響因素

2.1 上覆巖層移動變形機理分析

綜放開采上覆巖層的移動變形從宏觀上來看，主要是由于工作面在回采過程中，產(chǎn)生了開采空間，上覆巖層在該空間的基礎(chǔ)上發(fā)生了下沉、彎曲、斷裂、垮落等較為復(fù)雜的運動過程。這是由于上覆巖層構(gòu)成的特殊性造成的，上覆巖層的構(gòu)成不是簡單的由層狀的巖層構(gòu)成，他們之間的結(jié)構(gòu)也不是簡單的板狀結(jié)構(gòu)，所以在計算過程中，簡單的運用板狀理論計算其變形量會出現(xiàn)與實際測得的數(shù)值的偏差。因此針對上覆巖層在采動條件下的變形機理分析就顯得尤為的重要。

采空區(qū)上覆巖層按照其成因來看主要是由沉積巖構(gòu)成。各巖層之間由于其物理、化學(xué)、結(jié)構(gòu)性質(zhì)的不同，在彼此之間形成的黏結(jié)應(yīng)力和原巖應(yīng)力也各不相同。這樣就造成了在采動影響下，各巖層的移動變形出現(xiàn)不同的運動趨向。同時受到各巖層幾何形狀和物理力學(xué)參數(shù)以及開采尺寸的影響，很容易造成上覆巖層在采動影響下，發(fā)生巖層間受力不均現(xiàn)象，出現(xiàn)明顯的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力，這對于上覆巖層的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重的危險[3]。

對于上覆巖層在回采過程中的變形，移動破壞，除了從宏觀的巖層結(jié)構(gòu)分析變形外，還可以從微觀的角度進行分析，其中巖石的流變性對上覆巖層的移動具有十分重要的意義。由于煤層頂板巖層的特殊性，各巖層的分布情況往往具有不確定性。從而造成了巖層之間的接觸也具有不同性，這就造成了巖層的流變機理有所不同。但可從上覆巖層發(fā)生流變的本質(zhì)出發(fā)，上覆巖層從原來穩(wěn)定狀態(tài)向流變發(fā)生變化是由于煤層在回采過程中造成了上覆巖層結(jié)構(gòu)和應(yīng)力的變化，從而巖層中的應(yīng)力重新分布。這樣就造成了上覆巖層中原有的節(jié)理，層理，軟弱結(jié)構(gòu)面在應(yīng)力重新分布過程中發(fā)生變形破壞、失穩(wěn)[4]。

一般來說煤層頂板巖層的分布是層狀的，當(dāng)煤層回采時，直接頂首先斷裂、破壞、失穩(wěn)，然后老頂和上覆巖層依次發(fā)生變形、破壞。巖層在破壞過程中，巖塊間相互咬合，形成鉸接結(jié)構(gòu)。直接頂?shù)缴细矌r層，由于各巖層在豎直方向發(fā)生變形破壞的速度各不相同，即巖層發(fā)生流變的速度也不同。上覆巖層中應(yīng)力平衡的破壞導(dǎo)致巖層結(jié)構(gòu)發(fā)生了隨時間的變化，該變化從工作面開始回采就已經(jīng)產(chǎn)生。

上覆巖層在變形的初期的表現(xiàn)形式：煤層回采—上覆巖層應(yīng)力改變—巖塊失穩(wěn)—巖層裂紋擴展斷裂—巖層離層—上部巖層失穩(wěn)。

上覆巖層的逐漸垮落過程是將勢能轉(zhuǎn)化為動能的過程，而垮落的巖層逐漸充填采空區(qū)，從而支撐上覆巖層，使其重新達到平衡狀態(tài)。初期上覆各巖層的移動變形速度不同，靠近上層的巖層移動變形較緩慢，持續(xù)時間較長，隨著回采工作的不斷向前推進變形最終到達地表。

上覆巖層在變形的后期主要表現(xiàn)為：斷裂的巖層重新受到垮落巖石的支撐，上覆巖層又重新處于擠壓狀態(tài)。這樣由于碎脹巖石的重新排列，應(yīng)力得到一定的釋放、重新調(diào)整和轉(zhuǎn)移。破碎巖層的體積增量最終達到穩(wěn)定，而地表的變形最終也達到穩(wěn)定。

2.2 上覆巖層變形移動的影響因素

(1)巖性。巖層的軟硬程度直接決定了上覆巖層是否會發(fā)生離層的可能性，巖層強度越大，老頂越不易垮落，不易形成離層空間，巖層的移動變形也較小[5]。而極軟型頂板由于其本身的剛度較小，也不易形成離層空間。因此對上覆巖層的移動變形影響也較小。整體上看，煤層頂板是一種復(fù)合型沉積型頂板，其內(nèi)部本身含有的節(jié)理、裂隙等軟弱結(jié)構(gòu)面為離層的發(fā)生提供了條件。

(2)關(guān)鍵層巖層存在位置及作用。關(guān)鍵層巖層一般是由強度和剛度都較大的巖層構(gòu)成，它能夠有效支撐上覆巖層的重量，并發(fā)生很小的彎曲變形，能夠有效控制上覆表土層的移動變形[6]。

(3)開采尺寸。開采尺寸是影響上覆巖層移動變形的主要因素。開采尺寸決定了上覆巖層平衡拱的大小，當(dāng)開采尺寸較小時，平衡拱的范圍較小，能夠有效阻值其離層向上位巖層發(fā)展，反之開采尺寸較大時，平衡拱的范圍也較大，巖層移動有可能向地表方向發(fā)展。

(4)工作面推進速度和頂板管理。工作面推進速度越快，其上覆巖層的移動變形時間越短。但對于總的變形量基本不受推進速度的影響，而工作面的推進速度又和頂板的管理密切相關(guān)。

3 不同厚度表土層在回采過程中的變形移動規(guī)律

3.1 模型建立

該模擬以高河煤礦W1303工作面為研究對象，建立了基于FLAC3D程序的三維計算模型進行數(shù)值模擬。為直觀、系統(tǒng)地反映綜放條件下圍巖結(jié)構(gòu)、受力與變形情況，模型對W1303工作面的地質(zhì)條件進行了簡化，將由砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖等組成的基巖簡化為一種巖性。根據(jù)不同表土層厚度對地表移動的影響，模型分3組，表土層厚度分別為140、190、240 m(基巖厚度取390、340、290 m)。工作面長度為540 m，煤層采厚為7.0 m，采深為530 m，松散層厚度為190 m。邊界條件：四周水平位移約束，下沉自由，底部3個方向位移全部限制，上部為自由邊界。初始垂直應(yīng)力為自重應(yīng)力，初始水平應(yīng)力取垂直應(yīng)力的0.8倍。為了更加真實的反映圍巖環(huán)境，各模型向工作面水平方向各增加了約800 m，底板深度延伸至800 m，模型如圖2。

圖2 模型示意

3.2 模型參數(shù)的確定

根據(jù)提供的地質(zhì)資料并結(jié)合相關(guān)研究得出的巖石力學(xué)試驗結(jié)果，考慮到巖石受尺寸效應(yīng)的影響，各巖層力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mass mechanics parameters

3.3 不同表土層厚度下地表下沉和應(yīng)力分布規(guī)律

通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件分別對表土層厚度為140、190、240 m(基巖層分別為390、340、290 m)時進行分析。對地表下沉范圍，應(yīng)力分布規(guī)律分別進行了數(shù)值模擬，其地表下沉范圍和應(yīng)力分布規(guī)律如圖3，圖4所示。

由圖3得出了表土層厚度為140 m時，表土層占開采深度的比值為0.264，最大下沉量為3 970 mm，下沉系數(shù)為0.79，走向邊界角為67°，傾向邊界角為61°。表土層厚度為190 m時，表土層占開采深度的比值為0.358，最大下沉量為4 140 mm，下沉系數(shù)為0.82，走向邊界角為65°，傾向邊界角為60°。表土層厚度為240 m時，表土層占開采深度的比值為0.453，最大下沉量為4 512 mm，下沉系數(shù)為0.87，走向邊界角為62°，傾向邊界角為58°。從煤層開采后傾向主剖面上的最大主應(yīng)力云圖4可以看出，在采空區(qū)頂?shù)装宄霈F(xiàn)了應(yīng)力釋放區(qū)，采空區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)了應(yīng)力集中區(qū)，并在上覆巖層形成應(yīng)力平衡拱結(jié)構(gòu)，將采空區(qū)上覆巖層的荷載向兩側(cè)轉(zhuǎn)移。通過對不同厚度表土層進行數(shù)值，應(yīng)力變化主要發(fā)生在基巖內(nèi)，巖層和地表的移動變形主要是由基巖通過其內(nèi)部形成的平衡結(jié)構(gòu)來控制[7]。同時厚表土層和基巖層可看成是雙層機制模型，基巖為巖梁結(jié)構(gòu)，表土層為隨機介質(zhì)，基巖支撐上覆荷載，有效控制其地表下沉，表土層充填開采后形成的下沉空間。

4 現(xiàn)場測站布置及實測數(shù)據(jù)分析

4.1 實測站點布置[8]

觀測站布置按設(shè)置地點不同，可分為地表移動觀測站、巖層內(nèi)部觀測站和專門觀測站；按觀測時間長短，可分為普通觀測站和短期觀測站；按布置形式不同，可分為網(wǎng)狀觀測站和剖面線狀觀測站。本次研究采用剖面線狀地表巖移觀測站布置。地表巖移觀測站布設(shè)了1條走向觀測線和1條傾向觀測線，觀測線的布設(shè)情況見表2。2條觀測線均布設(shè)在工作面的主斷面上方，整個觀測站共布工作測點93個，控制點7個，測點間距25 m，控制點間距45～50 m，測線總長度為2 492 m。

圖3 不同表土層厚度下的地表下沉(單位：mm)

圖4 不同表土層厚度下最大主應(yīng)力分布(單位：MPa)

觀測線名稱觀測線長/m測點個數(shù)工作測點控制點小 計傾向觀測線139050454走向觀測線110243346合 計2492937100

4.2 實測數(shù)據(jù)分析

工作面回采后地表出現(xiàn)了明顯的下沉盆地并伴有嚴(yán)重的裂縫發(fā)育。上覆巖層采動影響期間，地表巖移觀測站進行了9次全面觀測和15次日常水準(zhǔn)測量，得到大量的原始數(shù)據(jù)。采用理論公式計算出了不同采動時期回采面上方地表的下沉值，部分地表下沉值如表3所示。

表3 部分測點下沉值

Table 3 Some surface subsidence values mm

從表3所示，上覆巖層移動與地表下沉曲線隨回采面的推進向前平移，并逐漸趨于穩(wěn)定。地表的沉陷變形是連續(xù)漸變的，其中最大下沉點位于采空區(qū)上部Z29，Z30，Z32測點，最大下沉量為4 231 mm。其中走向邊界角為66°，傾向邊界角為62°，下沉系數(shù)為0.84，超前影響距離為213.5 m，超前影響角為69°。最大下沉速度為66.2 mm/d。這與模擬表土層厚度為190 m時得到的數(shù)據(jù)和移動規(guī)律基本相符。

5 結(jié) 論

(1)厚表土層的上覆巖層移動變形主要是由基巖起關(guān)鍵作用，基巖承載上覆荷載，而表土層起到充填下沉空間，其穩(wěn)定性是由內(nèi)部形成的應(yīng)力平衡拱控制。荷載通過平衡拱轉(zhuǎn)移到采空區(qū)。

(2)通過數(shù)值模擬軟件分布模擬表土層厚度分布為140、190、240 m對上覆巖層移動的影響。得到表土層厚度為190m時，表土層占開采深度的比值為0.358，最大下沉量為4 140 mm，下沉系數(shù)為0.82，走向邊界角為65°，傾向邊界角為60°，這與實測數(shù)據(jù)基本相符。

(3)通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測分析可對長治礦區(qū)厚表土層的上覆巖層移動提供一定的參考價值，對以后工作面布置和回采，以及采空區(qū)治理都具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 崔希民，許家林，等.潞安礦區(qū)綜放與分層開采巖層移動的相似材料模擬實驗研究[J].實驗力學(xué)，1999，14(3)：402-406. Cui Ximin，Xu Jialin，et al.Modeling experiment for the rock movement in fully mechanized sub-level caving and slice mining at Lu′an Coal Field[J].Journal of Experimental Mechanics，1999，14(3)：402-406.

[2] 李 杰，賈新果，陳清通.淺埋厚煤層綜放開采地面移動規(guī)律實測研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40(4)：108-115. Li Jie，Jia Xinguo，Chen Qingtong.Study on surface ground displacement law measure of fully mechanized top coal caving mining in shallow depth thick seam[J].Coal Science and Technology，2012，40(4)：108-115.

[3] 李 智， 王漢鵬，等.煤層開采過程中上覆巖層裂隙演化規(guī)律研究[J].山東大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版，2011(3):142-147. Li Zhi，Wang Hanpeng，et al.Study on the fissure evolution law of overlying strata during mining[J].Journal of Shandong University:Engineering Science，2011(3):142-147.

[4] 袁 義.地下金屬礦山巖層移動角與移動范圍的確定方法[D].長沙：中南大學(xué)，2008. Yuan Yi .Study of Determination of Subsidence Angle and Its Areadue to Underground Metal Mine[D].Changsha:Central South University 2008.

[5] 許家林，錢鳴高，金宏偉.巖層移動離層演化規(guī)律及其應(yīng)用研究[J].巖土工程學(xué)報，2004(5):632-636. Xu Jialin，Qian Minggao，Jin Hongwei.Study and application of bed separation distribution and development in the process of strata movement[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2004(5):632-636.

[6] 翟新獻.放頂煤工作面頂板巖層移動相似模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002，21(11):1667-1671. Zhai Xinxian.Simulation testing study on roof strata displacement of top-coal caving face[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering 2002，21(11):1667-1671.

[7] 張頂立，錢鳴高.綜放工作面圍巖結(jié)構(gòu)分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1997，16(4):320-326. Zhang Dingli，Qian Minggao.Theoretical analysis of surrounding rock structure in longwall sub-level caving minging[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering 1997，16(4):320-326.

[8] 吳新輝.司馬礦厚黃土薄基巖下開采地表移動變形規(guī)律研究[D].焦作：河南理工大學(xué)，2012. Wu Xinhui.Research on the Law of Ground Movement in Mining of Coal Seams of Thick Loess and Thin Bedrock in Sima Coal Mine[D].Jiaozuo:Henan University of Science and Technology，2012.

(責(zé)任編輯 石海林)

Research on Thick Overburden Movement Law under Full Mechanized Caving

Wang Min1Zhang Zhaoqian2Yuan Bo2

(1.YangquanShangsheCoalCo.，Ltd.，Yangquan045100，China;2.InstituteofMineralEngineering，TaiyuanUniversityofTechnology，Taiyuan030024，China)

In order to investigate the movement law of thick overburden under full mechanized caving，rock movement monitoring station is built at W1303 face surface of Gaohe mine in Changzhi minging area.The analysis of the measured data showed that maximum subsidence point was located in the upper goaf Z29，Z30，Z32，and a series of strata movement parameters were obtained.The theoretical analysis indicated that the overburden movement deformation was divided into early and late two kinds under full mechanized caving.At the same time，the main factors for influencing the overlying strata movement were concluded as follows：overburden lithology，the location and action of the key stratum，mining size，advancing speed of working face and roof management and so on.The numerical simulation software FLAC3Dwas adopted to simulate the surface movement law in the mining process with the topsoil thickness of 140 m，190 m，240 m respectively.The conclusion was that the movement law of overburden thickness at 190 m conforms to that of actual surface layer at 189.43 m.Therefore，the research on the rock movement law of thick overburden under full mechanized caving mining in Changzhi mine provides a certain reference for construction of the mine.

Full mechanized top coal caving，Thick overburden，Strata movement，Numerical simulation

2013-12-20

國家自然科學(xué)基金項目(編號:51274145)。

王 敏(1987—)，男，助理工程師。

TD32，TD82

A

1001-1250(2014)-04-160-05