厚火成巖下采煤地表移動規(guī)律研究

韓永斌 高均海

(中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司,河北 唐山 063012)

厚火成巖下采煤地表移動規(guī)律研究

韓永斌 高均海

(中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司,河北 唐山 063012)

在厚火成巖下采煤,因火成巖硬度大，不易冒落而容易誘發(fā)沖擊性地質(zhì)災(zāi)害。為了研究火成巖下開采沉陷規(guī)律，解決火成巖下開采地面破壞及建筑物保護(hù)問題，建立了地表移動觀測站。根據(jù)火成巖厚度分布情況，結(jié)合數(shù)值模擬計算，確定了煤層開采后火成巖隨下伏巖層呈整體下沉。利用巖移預(yù)計軟件計算無火成巖條件下地表變形，與實際觀測結(jié)果對比,分析火成巖下采煤地表移動規(guī)律。

火成巖 觀測站 巖移規(guī)律 數(shù)值模擬 概率積分法

在厚火成巖下采煤后，由于火成巖具有硬度大，不易斷裂的特點,其上覆火成巖幾乎沒有較大移動，從而使地表移動變形較小。但隨著開采面積的不斷擴(kuò)大，火成巖內(nèi)應(yīng)力逐漸積累，當(dāng)開采引起的彎曲應(yīng)力達(dá)到或超過火成巖自身強(qiáng)度極限時，火成巖巖體將產(chǎn)生突發(fā)性斷裂和大面積垮落，巖層移動會迅速傳遞至地表，有可能引發(fā)沖擊性地質(zhì)災(zāi)害[1],使地表建(構(gòu))筑物受到嚴(yán)重威脅。這是一個十分復(fù)雜的過程，它受地質(zhì)采礦條件的直接影響。為了研究厚火成巖下采煤地表沉陷這一復(fù)雜過程，通過建立地表移動觀測站，獲得厚火成巖下采煤地表移動數(shù)據(jù)，結(jié)合觀測數(shù)據(jù)、地質(zhì)勘探資料及數(shù)值模擬等手段，研究火成巖下采煤地表沉陷規(guī)律。為保護(hù)地表建(構(gòu))筑物的安全及類似地質(zhì)條件下的開采提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

某礦井地層有火成巖侵入，主要為輝綠巖，厚度0～200 m?；鸪蓭r多以巖床形式侵入到煤層或頂?shù)装逯?，少部分以巖墻形式侵入，以斷層為主要侵入通道。區(qū)內(nèi)煤層局部塊段被火成巖吞蝕，出現(xiàn)接觸性變質(zhì)。火成巖硬度較大，其硬度系數(shù)介于15～20。開采區(qū)上方有村莊分布，采礦將對村莊造成影響。火成巖與煤層、村莊的垂直位置關(guān)系見圖1，水平位置關(guān)系見圖2。礦井采用走向長壁采煤法，自然垮落法管理頂板。

主要開采7煤和9煤， 7煤平均傾角為8°，煤厚4.0 m，采深590 m；9煤平均傾角為8°，煤厚2.5 m，采深640 m。煤層頂板巖性以泥巖、炭質(zhì)泥巖、粗砂巖、細(xì)砂巖為主，多為復(fù)合頂板，部分塊段有輝綠巖侵入。頂板多為泥質(zhì)膠結(jié)，吸水性強(qiáng)，易風(fēng)化、松散。底板巖性多為細(xì)砂巖、粉砂巖，顏色呈灰、灰白色，局部有輝綠巖侵入，巖性以泥質(zhì)膠結(jié)為主，吸水性強(qiáng)，易風(fēng)化、遇水膨脹。

圖1 開采區(qū)域剖面圖

圖2 開采區(qū)域平面圖

2 地表移動觀測

2.1 觀測站概況

研究地表移動規(guī)律是進(jìn)行建筑物下采煤設(shè)計的關(guān)鍵[2],而獲得地表移動特征的最直接手段就是建立地表移動觀測站。為了掌握火成巖上方地表移動情況，在開采區(qū)域建立了地表移動觀測站，共計布置3條觀測線，主要沿道路和村莊內(nèi)街道布設(shè)，分別為A測線、B測線和C測線。測點平均間距為25 m，A測線的控制點位于測線南端，B、C測線的控制點位于測線西端，均位于預(yù)計開采影響范圍以外，測線位置見圖2。所有控制點和工作測點全部采用現(xiàn)場澆鑄的方法建造，A測線共埋設(shè)測點31個，全長1 491 m，B測線共埋設(shè)測點46個，全長1 614 m，C測線共埋設(shè)測點28個，全長1 650 m。

2.2 觀測結(jié)果

觀測站自建立完成后每個月進(jìn)行1次全面觀測，至末次觀測時止，共計進(jìn)行了27次全面觀測。對比測點的下沉趨勢及下沉速度可推斷，觀測站的移動與變形正逐漸趨于穩(wěn)定。觀測結(jié)果很好地反映了地表隨時間變化的特征，數(shù)據(jù)成果可靠。根據(jù)首、末次觀測數(shù)據(jù)繪制3條觀測線的實測下沉曲線，如圖3。并選取部分測點不同時點的觀測水平變形值列于表1中，下沉速度列于表2。

圖3 觀測站下沉曲線圖

表1 測點觀測水平變形值

表2 測點下沉速度

2.3 地表裂縫觀測

為了確保地表建筑物的安全，除設(shè)置觀測站以外，還對地表出現(xiàn)的裂縫進(jìn)行了測量，在地表共出現(xiàn)了3條大裂縫，2條位于工作面的正上方，寬0.2～0.3 m，另1條位于井田西邊界上方，處于正常開采影響范圍外。其裂縫寬度達(dá)1.0 m，走向南北，長約570 m，裂縫兩側(cè)已形成600～700 mm高差的臺階。

2.4 觀測數(shù)據(jù)分析

由表1 可知， b20點的各次觀測變形值明顯減小，該點為有無火成巖的分界點，火成巖上方測點變形小，在無火成巖分布處地表變形大，這充分反映了2種不同巖層的地表移動變形特點。由表2可知，各測點隨著時間的推移，其下沉速度明顯減小，表明測點移動逐漸趨于穩(wěn)定；b21、b23、b26測點下方的火成巖厚度逐漸增大，其觀測的下沉速度逐漸減小，表明了地表移動受到了火成巖的控制，火成巖越厚，地表下沉速度越小。

采用概率積分法，利用礦井已有預(yù)計參數(shù)，按照無火成巖條件下，預(yù)計B測線的地表變形值。B測線預(yù)計地表最大下沉值為4 150 mm，而實際觀測最大下沉值為3 340 mm。實際觀測下沉曲線與預(yù)計下沉曲線形態(tài)相似，下沉量明顯減小，充分表明火成巖下開采沉陷規(guī)律依舊符合概率積分法，且由于火成巖的存在，地表下沉量明顯減小。

通過對觀測數(shù)據(jù)的整理分析，A測線的a15測點處對應(yīng)的火成巖厚度為10 m，該點的地表觀測下沉值出現(xiàn)了顯著減??；B測線的b20～b37號點位于火成巖的正上方,火成巖厚度在3 m以內(nèi)，地表下沉明顯受到控制，但還依舊呈現(xiàn)連續(xù)狀態(tài)；C測線上方均有火成巖分布，且厚度在10～70 m之間，其觀測地表最大下沉值僅為160 mm，并呈整體下沉。這充分證明了火成巖的厚度直接影響了地表變形值?？梢源_定，上覆火成巖的厚度直接影響到概率積分法預(yù)計參數(shù)中的下沉系數(shù)的大小?；鸪蓭r越厚，對應(yīng)的預(yù)計參數(shù)中的下沉系數(shù)就應(yīng)該越小。

3 數(shù)值模擬計算

3.1 模型建立

為了分析火成巖下開采后，巖層的變化情況，采用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計算。數(shù)學(xué)模型以礦井2號勘探剖面線地質(zhì)采礦條件為原型，建立平面應(yīng)變數(shù)學(xué)模型，模擬煤層為7煤層，為緩傾斜煤層，平均傾角為8°，數(shù)學(xué)模型按水平煤層考慮，模擬工作面平均采深590 m，建立數(shù)學(xué)模型。模型中均采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則判斷巖體的破壞，并均不考慮塑性流動。模擬采用的煤巖體力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 巖層的物理力學(xué)參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果分析

模擬開采7煤4個工作面的結(jié)果見圖4煤層開采后水平方向應(yīng)力云圖和圖5煤開采后塑性區(qū)分布圖。數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)回采工作面進(jìn)入火成巖巖體下方時，火成巖體應(yīng)力明顯集中，由于火成巖體厚度較大，強(qiáng)度較高，對上覆巖體的移動和變形起到了控制作用。而7煤層頂板強(qiáng)度較低，工作面回采后頂板巖體逐漸垮落，垮落巖體的碎脹系數(shù)大于1，隨著工作面推進(jìn)距離的增加，垮落巖體逐漸承受支撐壓力，此時火巖巖體沒有達(dá)到極限破壞強(qiáng)度，沒有發(fā)生斷裂性破壞，地表沒有發(fā)生明顯的下沉。

圖4 煤層開采后水平方向應(yīng)力云圖

圖5 煤開采后塑性區(qū)分布圖

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果及導(dǎo)水裂隙帶相關(guān)公式計算，火成巖體位于煤層開采導(dǎo)水裂隙帶之上，處于彎曲帶范圍內(nèi)。隨著煤層開采范圍的增加，煤層上覆巖體逐步垮落，由于垮落巖體的碎脹性，采空區(qū)被垮落巖塊充填，并隨著上覆巖體下沉值的增加，垮落巖體的支承壓力也逐漸增加，垮落巖體的力學(xué)特性得到改善。國外對采空區(qū)垮落巖石的特性進(jìn)行了研究，得到采空區(qū)垮落巖石隨時間的變化規(guī)律為：

垮落矸石密度

(1)

垮落矸石彈模

(2)

垮落矸石泊松比

(3)

由以上公式可知，隨著時間t的推移，垮落巖體強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，當(dāng)工作面開采結(jié)束5 a后，垮落矸石彈?？蛇_(dá)到原始彈模的99.8%，基本恢復(fù)了原始力學(xué)特性。

由于火成巖體厚度大，強(qiáng)度高，煤層現(xiàn)有開采條件下并未發(fā)生斷裂性破壞，隨著時間的增加，煤層開采后地表移動和變形也逐步趨于穩(wěn)定，在無強(qiáng)烈的外在因素影響下，火成巖巖體及其上覆巖體具有足夠的強(qiáng)度可以支撐上覆巖體的重力，因此該種條件下地表不會再出現(xiàn)劇烈的變形破壞。

4 地表穩(wěn)定性分析

4.1 地表移動分析

由于火成巖較下伏巖層堅硬，其結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度及變形性能等方面存在明顯差異，煤層開采后，巖層移動過程中可能會產(chǎn)生不協(xié)調(diào)、不同步的變形現(xiàn)象[3]。通過對觀測數(shù)據(jù)的整理分析，B測線的b20～b37號點位于火成巖的正上方，b1～b19、b38～b40號點位于火成巖以外，b17為最大下沉點，根據(jù)其觀測下沉曲線可知，盡管局部下方有火成巖存在，地表下沉連續(xù)，可以判定火成巖是作為覆巖的一層硬巖層整體下沉[4]，與正常煤系地層條件下的地表移動規(guī)律基本一致，符合概率積分法的分布規(guī)律。參考數(shù)值模擬結(jié)果，采區(qū)上方地表不存在因火成巖突然斷裂而引發(fā)的地表突然下沉。

因在剖面圖上火成巖類似一個懸臂，故可以根據(jù)懸臂梁受力分析的方法，分析火成巖的受力特點。由于火成巖與周圍巖體性質(zhì)不同，則火成巖底面可能產(chǎn)生離層，但隨著開采的進(jìn)一步擴(kuò)大，火成巖底面的離層空間也將逐漸擴(kuò)大，火成巖上方又有地表至火成巖頂面沖積層和地層巖體的荷載作用，火成巖將產(chǎn)生彎曲、裂隙、斷裂等一系列的移動與變形直至破壞充填離層空間。隨著煤層開采逐步推進(jìn)，火成巖下方巖層依次垮落下沉，火成巖沿豎直方向的移動約束也被逐步解除，在這個過程中，板狀火成巖依靠自身強(qiáng)度承擔(dān)上覆巖層的重量，其受力變形形式可簡化為懸臂梁在均勻載荷下的受力彎曲。

懸臂梁所承受的剪力和彎矩主要集中在固定端，該端梁體的上表面在撓曲變形中承受較大的拉應(yīng)力，而火成巖巖體屬脆性材料，抗剪抗拉強(qiáng)度很低。因此開采過程中，火成巖在上方巖層重力的作用下，固定端受到強(qiáng)烈剪切拉伸，巖體內(nèi)部裂隙會逐漸發(fā)育，并最終隨其他巖層一起彎曲下沉。這進(jìn)一步說明了煤層開采后，火成巖隨煤系地層一起移動，地表基本上不會出現(xiàn)突然下沉。

4.2 地裂縫成因分析

井田邊界的地裂縫位于預(yù)計的開采影響范圍以外，說明其產(chǎn)生的原因比較復(fù)雜，應(yīng)從裂縫區(qū)周圍的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行分析。該區(qū)域存在的較大斷層為F56斷層，屬斜交正斷層，傾角56°，最大落差230 m。通過繪制斷層剖面圖，可以推斷地表裂縫的產(chǎn)生與開采工作面和 F56斷層的存在有關(guān)。開采工作面位于斷層的底板方向，當(dāng)工作面開采后，其巖層的移動將直接擾動F56斷層，而該斷層又是落差為50～230 m的大斷層，斷層底面向采空區(qū)方向移動，使斷層產(chǎn)生活化，斷層活化造成大量能量在瞬間釋放[5]，從而導(dǎo)致地表產(chǎn)生較大的裂縫。

5 結(jié) 論

(1)在火成巖下采煤，地表移動形態(tài)符合概率積分法的分布規(guī)律，但由于火成巖硬度大，不易斷裂，其頂板明顯受到控制，火成巖越厚，地表下沉量及下沉速度越小。在利用概率積分法預(yù)計時，可根據(jù)火成巖的厚度分布情況，合理選取預(yù)計下沉系數(shù)。

(2)開采區(qū)地表出現(xiàn)較大裂縫，主要是由于工作面開采后，其上覆巖層的冒落、移動直接擾動斷層，致使斷層活化，大量能量在瞬間釋放，進(jìn)而引起地表移動與變形過大，導(dǎo)致地表出現(xiàn)較大裂縫。

(3)火成巖下采煤地表移動一般有3種形態(tài):一是隨采空區(qū)覆巖整體下沉,二是以懸臂梁形式斷裂,三是位于斷層附近的火成巖由于斷層的活化產(chǎn)生較大的斷裂。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Research on Surface Movement Regularity During Coal Mining under Thick Igneous Rock

Han Yongbin Gao Junhai

(TangshanResearchInstitute,ChinaCoalTechnology&EngineeringGroup，Tangshan063012，China)

Coal mining under thick igneous rock may cause the serious geological disaster because of the hardness of igneous rock and difficulty in caving.In order to study the surface subsidence law of coal mining under the igneous rock，and solve the problems induced by mining，such as surface damage and building protection，the surface movement observation stations were established.According to the distribution of igneous rock thickness，combining with numerical simulation，it is found that the igneous rocks with the underlying stratum subsided as a whole.Then，the mining surface subsidence with no igneous rock was gained by using the rock movement prediction software，and compared with the actual observed results to analyze the surface subsidence law during coal mining under thick igneous rock.

Igneous rock，Observation station，Regularity of rock shift，Numerical simulation，Probability integral method

2015-03-04

韓永斌(1980—)男，工程師。

TD325

A

1001-1250(2015)-04-026-05