急傾斜多煤層開采地表移動規(guī)律與巖層破壞特征

閻躍觀 戴華陽 呂志強, 郭俊廷 田秀國

(1.中國礦業(yè)大學(xué)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083； 2.開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河北 唐山 063018)

急傾斜多煤層開采地表移動規(guī)律與巖層破壞特征

閻躍觀1戴華陽1呂志強1,2郭俊廷1田秀國2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083； 2.開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河北 唐山 063018)

急傾斜多煤層開采覆巖破壞和地表移動規(guī)律不同于緩傾斜煤層開采。采用相似材料模型實驗對趙各莊礦急傾斜多煤層開采進(jìn)行了模擬研究。通過對7次觀測數(shù)據(jù)分析，得出了不同開采階段地表移動變形規(guī)律及巖層破壞特征。實驗結(jié)果表明：地表下沉盆地具有分區(qū)沉降突變性和沉陷分布格局控制性特點，巖層的空間破壞范圍隨著煤層開采層數(shù)的增加和開采深度的加大而擴大，其破壞特征主要表現(xiàn)為累積性和突變性。

急傾斜 多煤層 地表移動規(guī)律 巖層破壞特征 相似材料模型

急傾斜煤層一般指傾角大于45°的煤層，其變質(zhì)程度高，多為無煙煤，煤質(zhì)優(yōu)良，具有很高的開采價值。我國急傾斜煤層開采礦井有100多處，遍布唐山、北京、華亭、淮南、烏魯木齊等20多個礦區(qū)[1-2]。目前國內(nèi)外一些學(xué)者已經(jīng)開始系統(tǒng)地研究急傾斜煤層開采后地表移動變形和巖層破壞規(guī)律[3-8]。閻躍觀等[3]揭示了大臺礦急傾斜煤層群開采地表移動變形規(guī)律和圍巖垮落、破壞機理，并與實地觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析。戴華陽等[4]分析了唐山馬家溝礦多年積累的實測資料，揭示了急傾斜煤層開采條件下地表沉陷在空間上的分區(qū)沉陷特點。鄭汝育等[5]采用相似材料模型試驗得出了不同煤層傾角的地表下沉曲線，通過擬合建立了緩傾斜煤層與急傾斜煤層開采地表預(yù)計都適合的預(yù)計函數(shù)數(shù)學(xué)模型。王明立等[6]利用數(shù)值模擬的方法，研究了急傾斜煤層群開采條件下覆巖破壞和煤柱穩(wěn)定性的規(guī)律。周鳴等[7]通過分析沛城煤礦急傾斜厚煤層條帶開采的實測資料，對地表下沉盆地形態(tài)、移動變形值、地表移動持續(xù)時間、對建筑物影響等方面進(jìn)行對比，得出采用條帶開采可有效地保護(hù)地面建(構(gòu))筑物不受破壞。麻鳳海等[8]以趙各莊礦為例，采用有限差分軟件FLAC2D研究在斷層影響下急傾斜煤層開采對上覆巖層應(yīng)力位移的變化規(guī)律 。

通過文獻(xiàn)分析可知，相比緩傾斜煤層，急傾斜煤層賦存條件復(fù)雜，對地表與巖層移動的影響有特殊性，且對其研究還不夠不充分。為此本研究以開灤集團(tuán)趙各莊礦急傾斜多煤層開采為研究對象，采用相似材料模型實驗，對采動后地表移動變形規(guī)律和巖層破壞特征進(jìn)行分析。

1 礦區(qū)概況

趙各莊礦是我國開采深度最大的礦井之一，礦區(qū)地形較平坦，松散層薄，局部基巖出露地表。礦井西翼主要開采急傾斜煤層群，煤層大致是東西走向，向南傾斜。煤層傾角為60°～70°，含可采煤層3層，分別為7煤、9煤、12煤。各煤層的厚度和間距見表1。煤層頂、底板以砂巖為主。趙各莊礦16號地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

表1 可采煤層厚度與煤層間距

圖1 趙各莊礦16號地質(zhì)剖面

2 相似材料模型實驗

2.1 模型幾何尺寸與材料配比設(shè)計

本次實驗參照趙各莊礦16號地質(zhì)剖面圖及其他相關(guān)地質(zhì)采礦資料，模型設(shè)計時模擬可采煤層3層，從上到下分別為7煤、9煤、12煤；設(shè)計采厚分別為2、7、9 m；7煤與9煤層間距為27 m，9煤與12煤層間距為36 m。

根據(jù)模型架尺寸，相似材料模型的比例尺設(shè)計為al=1∶600，重度比為ar=0.6，則強度比為aσ=0.001 2，時間比為at=0.044 7。由上述的模擬材料的容重、抗壓強度，選取材料配比，計算出各層用料量，進(jìn)行模型制作。相似材料模型實驗初始形態(tài)及觀測點布設(shè)如圖2所示。

圖2 模型實驗初始形態(tài)及測點布設(shè)

相似材料模型實驗按照相似常數(shù)進(jìn)行配比模擬，基巖采用河沙為骨料，碳酸鈣和石膏為膠結(jié)材料鋪設(shè)，云母片分層，進(jìn)行材料配比和模型制作，相似材料模型實驗材料配比參數(shù)見表2。

表2 相似材料模型實驗材料配比參數(shù)

2.2 模型開采設(shè)計

在制作完模型以后，布置測點并待模型干燥3～5 d。本試驗根據(jù)實際開采情況，分為6個階段進(jìn)行開采，開采順序見表3。

表3 模型實驗開采順序

2.3 模型觀測設(shè)計

本次模型試驗的目的是模擬急傾斜煤層采動引起的地表移動和巖層破壞特征，需要測量的范圍是采動過程中整個模型架中的巖層和地表。為了更有效地觀測巖層的移動情況，觀測線的布置方向沿著巖層層面布置，如圖2中E、F、…、M、N線，并沿著地表布設(shè)了1條觀測線。巖層中各觀測線垂直間距100 mm，各測點水平間距100 mm，共計鋪設(shè)213個觀測點(包括4個控制點)。采用全站儀觀測法。每個階段采完后觀測1次，加上首次觀測，共進(jìn)行了7次觀測，觀測位移的精度<±0.2 mm[9]。

3 地表移動變形規(guī)律分析

6個水平全部開采后地表裂縫分布與巖層垮落形態(tài)如圖3所示。分析整理傾向剖面上7次沿地表的觀測數(shù)據(jù)，可以繪制模型實驗各水平地表的下沉、傾斜、水平移動、水平變形和曲率曲線，如圖4所示。

圖3 第6水平開采后地表裂縫與巖層破壞圖

圖4 各水平開采地表移動變形曲線

由圖3和圖4分析可知，地表沉陷盆地主要表現(xiàn)為分區(qū)沉降突變性和沉陷分布格局控制性，各水平開采地表移動變形曲線的分布規(guī)律如下：

(1)總體上看，下沉盆地的非對稱性十分明顯，下山方向的影響范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上山方向。-100 m水平開采后，曲線呈近似對稱分布，隨著以后幾個水平的開采，非對稱性越來越明顯，最大下沉值也隨之增大。由于各水平之間留設(shè)煤柱的作用，煤柱未垮落前地表移動變形變化較??；在-200 m和-500 m水平開采后，留設(shè)的階段煤柱失穩(wěn)垮落，地表出現(xiàn)2次較大的突變，且移動變形量增加幅度較大。當(dāng)?shù)乇沓料菖璧匦螒B(tài)基本定形，繼續(xù)向下開采一定范圍內(nèi)煤柱時，地表形態(tài)表現(xiàn)為下沉值加大，變形增大，但沉陷范圍與大變形出現(xiàn)的位置基本不變，對地表沉陷分布格局起到一定的控制作用。

(2)由于-100 m水平煤層露頭離地面較淺且煤層傾角較大，所以傾斜曲線近似對稱。下山一側(cè)的最大傾斜值略大于上山一側(cè)。上、下山的最大傾斜值的位置均位于對應(yīng)的上、下山邊界在地表的投影點附近。傾斜變形大的地方主要集中于煤層露頭處。下山一側(cè)，地表產(chǎn)生2條裂縫，裂縫處出現(xiàn)非連續(xù)的傾斜變形且傾斜較大。其他區(qū)域傾斜變化連續(xù)且變形值較小。從-200 m水平開始，傾斜值的變化都是在-100 m水平的基礎(chǔ)上增大，曲線整體形態(tài)變化較小。

(3)在煤層露頭區(qū)域，下沉盆地剖面上兩邊各有一正曲率區(qū)，上山方向的范圍較小，下山方向的范圍較大。盆地中央的最大負(fù)曲率值(絕對值)最大，下山方向的最大正曲率值次之，上山方向的最大正曲率值最小。正曲率出現(xiàn)在煤層未采部分上方以及開采線上方附近，負(fù)曲率出現(xiàn)在煤層采空區(qū)上方。最大負(fù)曲率比最大正曲率的絕對值大。-200 m水平以后曲率的變化都是在-100 m水平的基礎(chǔ)上變化的。

(4)水平移動分布曲線的非對稱性更加明顯，基本上都是正值，說明巖層整體向上山方向移動，幾乎向下山方向沒有移動。下山一側(cè)的最大水平移動值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上山一側(cè)。水平移動主要集中在頂板一側(cè)x=300～1 300 m之間，當(dāng)x>1 300 m時，為煤層露頭區(qū)域，幾乎沒有水平移動。

(5)最大壓縮變形值位于煤層露頭處，出現(xiàn)壓縮變形集中區(qū)。隨著煤層的開采，上山一側(cè)地表出現(xiàn)了兩條裂縫，位于x=450 m和900 m的位置，在水平變形曲線上出現(xiàn)非連續(xù)變形，主要表現(xiàn)為拉伸變形。

4 巖層破壞特征分析

巖層內(nèi)分別布設(shè)測線E、F、G、H、I、J、K、L、M、N。實驗開采過程中E、G、J測線部分測點在巖層垮落過程中掉落，其余觀測線測點較完整，L、M、N測線距離開采區(qū)域較遠(yuǎn)，移動值較小，特選取巖層主要移動變形區(qū)域內(nèi)的代表性測線F、H、I、K作為研究對象進(jìn)行分析。F、H、I、K測線距7煤的垂距分別為120、300、390、540 m。各測線下沉曲線如圖5所示，圖中橫軸沿巖層層面方向，豎軸沿巖層法向方向，觀測線零點位于整條觀測線采深最大的位置。

圖5 各階段開采F、H、I、K測線下沉曲線

結(jié)合圖3和圖5分析可知，測線距離開采煤層越遠(yuǎn)，受到的采動影響越小，移動變形值越小，覆巖破壞范圍越小，破壞程度越輕微。隨著開采階段的增加，同一條測線各測點的最大下沉值均逐步增大。-100 m水平開采，4條測線下沉值受采動影響都很?。?200 m水平開采，從地表至采深250 m范圍內(nèi)，巖層沿煤層法向方向整體垮落充填采空區(qū)，最大下沉值突增到11 m，對其余3條測線影響相對較??；-300、-400 m水平開采，下沉值只是在原有基礎(chǔ)上略有增大，但曲線形態(tài)變化不大，主要表現(xiàn)為累積性；-500 m水平開采，F(xiàn)測線采深250～750 m，H測線地表至采深650 m，I測線地表至采深610 m，K測線地表至采深500 m范圍內(nèi)，巖層移動再次突變，最大下沉值均明顯增大；-600 m水平開采，各測線再次表現(xiàn)出累積性，下沉值在-500 m水平的基礎(chǔ)上略有增加，但巖層破壞的分布形態(tài)變化不大。

可見巖層的空間破壞范圍隨著煤層開采層數(shù)的增加和開采深度的加大而擴大，其破壞特征主要表現(xiàn)為突變性和累積性，且兩者重復(fù)交替出現(xiàn)。

5 結(jié) 論

(1)通過相似材料模型實驗揭示了急傾斜多煤層開采地表移動變形規(guī)律。隨著開采范圍的擴大和開采深度增加，地表下沉曲線非對稱性越來越明顯，下山一側(cè)影響范圍遠(yuǎn)大于上山一側(cè)，煤層露頭處下沉值最大；巖層整體向上山方向移動。后續(xù)階段開采地表移動變形都是在前一階段基礎(chǔ)上發(fā)展形成的，各階段開采地表下沉盆地具有分區(qū)沉降突變性和沉陷分布格局控制性的特點。

(2)實驗表明，受煤層開采影響，頂板一側(cè)巖層破壞范圍和程度遠(yuǎn)大于底板一側(cè)，覆巖離開采區(qū)域越近，覆巖破壞范圍越大，破壞程度越嚴(yán)重。隨著煤層開采層數(shù)的增加和開采深度的加大，巖層破壞具有突變性和累積性，且兩者重復(fù)交替出現(xiàn)的特征。

[1] 戴華陽，王金莊.急傾斜煤層開采沉陷[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，2005. Dai Huayang，Wang Jinzhuang.The Mining Subsidence of the Deeply Inclined Coal Seam[M].Beijing:China Science and Technology Press，2003.

[2] 煤炭科學(xué)研究總院北京開采研究所.煤礦地表移動與覆巖破壞規(guī)律及其應(yīng)用[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1981. Beijing Mining Research Institute，China Coal Research Institute.Coal Mine Surface Movement and Destruction Rule of Strata and Its Application[M].Beijing:China Coal Industry Press,1981.

[3] 閻躍觀，戴華陽，王忠武，等.急傾斜多煤層開采地表沉陷分區(qū)與圍巖破壞機理─以木城澗煤礦大臺井為例[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報.2013，42(4):547-553. Yan Yueguan，Dai Huayang，Wang Zhongwu，et al.Ground subsidence zone and surrounding rock failure mechanism due to steep multiple coal seams mining:a case study of Muchengjian Datai colliery[J].Journal of China University of Mining & Technology，2013，42(4):547-553.

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[9] 康建榮，王金莊，胡海峰.相似材料模擬試驗經(jīng)緯儀觀測方法分析[J].礦山測量，1999，2(1):43-46. Kang Jianrong，Wang Jinzhuang，Hu Haifeng.Theodolite observation of displacement of similarity material in simulation test method and analysis[J].Mine Survey，1999，2(1):43-46.

(責(zé)任編輯 石海林)

Surface Movement Law and Rock Strata Failure in Mining of Steeply Inclined Multiple Coal Seams

Yan Yueguan1Dai Huayang1Lu Zhiqing1,2Guo Junting1Tian Xiuguo2

(1.TheCollegeofGeoscienceandSurveyingEngineering，ChinaUniversityofMining&Technology，Beijing100083，China;2.KailuanGroup，Tangshan063018，China)

The overburden failure and surface movement law during mining of the steeply inclined multiple coal seams are different from the gently inclined one.With the similar material simulation，the mining process of steep inclined multiple coal seams in Zhaogezhuang mine is simulated.Through analyzing 7 groups of observed data，the surface movement deformation law and overburden failure at different mining stages were obtained.The simulation results show that the surface subsidence basin has the features of paroxysmal partition subsidence and controlled subsidence distribution pattern.With the increase of the numbers of coal seam mining layer and the expansion of mining depth，the space of rock strata failure is enlarged.The main performance of rock failure is cumulative and paroxysmal.

Steeply inclined，Multiple coal seams，Surface movement law，Rock strata failure characteristics，Similar material model

2015-02-04

國家自然科學(xué)基金項目(編號：50974122)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目(編號：2010QD01)。

閻躍觀(1981—)，男，講師，博士。

TD325

A

1001-1250(2015)-04-089-05