大強礦深部開采地表沉陷規(guī)律及機理研究

高均海，白國良

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012)

?

大強礦深部開采地表沉陷規(guī)律及機理研究

高均海1,2，白國良1,2

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012)

[摘要]針對深部開采地表沉陷預(yù)測與控制問題，以鐵法礦區(qū)大強礦為例，通過資料分析了深部開采地表沉陷規(guī)律；采用數(shù)值模擬方法，分析了深部開采地表移動機理。研究表明，深部極不充分開采，地表下沉值和下沉速率均較小，地表下沉活躍期不明顯。深部開采表現(xiàn)為地表一定范圍內(nèi)的整體下沉，影響范圍擴大，地表下沉系數(shù)相應(yīng)減小。采用概率積分法進行開采沉陷預(yù)計時，應(yīng)對地表移動參數(shù)進行修訂。

[關(guān)鍵詞]深部開采;地表沉陷;移動機制;沉陷預(yù)測

隨著淺部煤炭資源的逐漸減少甚至枯竭，煤炭資源的開采已經(jīng)向深部延伸。隨著煤礦開采深度增加，深部巖體的力學(xué)行為在賦存狀態(tài)改變的情形下趨于復(fù)雜，深部開采引起的地表沉陷不同于淺部。國內(nèi)外開采沉陷研究成果表明，目前對淺部開采沉陷規(guī)律、預(yù)測方法及控制理論等的研究較為成熟,已能夠滿足淺部正常地質(zhì)采礦條件下的工程需要,但對深部開采條件下，覆巖及地表沉陷機理、預(yù)測方法及控制理論的研究尚不完善，不能滿足深部開采條件下地表沉陷預(yù)測及控制的需要。因此，深部開采沉陷規(guī)律及預(yù)測方法的研究具有重要的理論和實際意義。根據(jù)鐵法礦區(qū)大強礦深部開采情況，對深部開采地表沉陷規(guī)律及變形機理進行研究。

1礦井開采條件概況

鐵法礦區(qū)大強煤礦井田所在區(qū)域大部分為第四系所掩蓋，沒有含煤地層出露。地層由老至新依次為前震旦系、中生界侏羅系上統(tǒng)建昌組、三臺子組；白堊系下統(tǒng)孫家灣組；新生界第四系。侏羅系上統(tǒng)三臺子組為本井田的含煤地層。

三采區(qū)為首采區(qū)，0901 工作面為首采工作面,標(biāo)高-890 ～ -1214m，地表標(biāo)高為107.5 ～105.6m,采深997 ～ 1319m。工作面長240m，回采走向長1172m，煤層傾角8 ～12°。開采1 號煤層，為單斜構(gòu)造，工作面煤層分層3 ～ 11 層，平均厚度10.5m，純煤平均厚度9.5m，煤層堅固性系數(shù)為2～3。夾石單層夾矸厚度0.1 ～ 0.7m，累計平均厚度1.0m，巖性為泥巖、粉砂巖及團狀黃鐵礦巖。直接頂為油頁巖，灰黑色，厚度1.5m，在油頁巖中局部夾有薄層黏土、泥灰?guī)r和菱鐵礦薄層透鏡體。油頁巖結(jié)構(gòu)致密，細(xì)膩，無裂隙，泥質(zhì)膠結(jié),層狀結(jié)構(gòu)，含碳，易風(fēng)化，風(fēng)化后呈餅狀，干后粉碎崩解?；卷敒橛晚搸r、粉砂巖、中砂巖互層,油頁巖厚度50 ～60m，平均厚度55m，粉砂巖厚度2.5 ～5.5m，平均厚度4m，中砂巖厚度5 ～ 10m,平均厚度7.5m。直接底為泥巖粉砂巖，厚度0.55m，基本底為中砂巖、粉砂巖、粗砂巖、泥巖互層，厚度8.5m。

采用綜采放頂煤開采工藝，采高2.9m，平均采放比1∶2.28，放煤步距為0.7m，放煤方式為一采一放，采用全部垮落法管理頂板。

2礦井開采地表沉陷實測規(guī)律

2.1地表移動觀測

結(jié)合工作面上方地表實際情況，布設(shè)2 條觀測線: 一條傾向觀測線和一條走向觀測線，傾向觀測線長2452m，走向觀測線長1812m。傾向觀測線布置43 個測點，走向觀測線布置32 個測點。在觀測線長度以外設(shè)置觀測站控制點，控制點距最外測點距離為70m，2 條測線共計布置6 個控制點，傾向線4 個，走向線2 個。觀測點布置如圖1 所示。

圖1　觀測點布置

連接測量按5″導(dǎo)線測量精度要求進行。觀測線工作測點的平面位置，從已知坐標(biāo)的控制點，按10″導(dǎo)線測量的精度要求確定。高程聯(lián)測起算于礦區(qū)三等水準(zhǔn)點，以不低于三等水準(zhǔn)測量的精度要求進行。

在移動過程中進行日常水準(zhǔn)測量，活躍期確定為15d 左右觀測一次。衰退期巡回測量可30d進行一次?？捎脝纬痰膹?fù)合水準(zhǔn)或水準(zhǔn)支線的往返測量，實測按四等水準(zhǔn)測量的精度要求進行。

平面測量儀器選用GPS-RTK 或用測角精度為2″、測距精度為2mm+2ppm 的全站儀，高程測量采用S1 級水準(zhǔn)儀，以三等水準(zhǔn)測量精度進行測量。

2.2地表移動規(guī)律分析

地表移動觀測站在2013 年11 月20 日布設(shè)完成，12 月10 日完成首次全面觀測。工作面于2014年2 月份開始回采，至2015 年4 月3 日工作面進尺運輸巷735m，回風(fēng)巷764m 時，24～48號和55～79號測點下沉曲線如圖2 所示。2014 年6 月11日至2015 年4 月3 日，24 號和55 號點的下沉速率曲線如圖3 所示。由圖2和圖3可以看出，深部開采條件地表下沉值較小，地表最大下沉值182.5mm；下沉速率小，最大下沉速率為1.14mm/d，活躍期不明顯。

圖2　觀測線下沉曲線

圖3　24號和55號測點下沉速率曲線

3深部開采數(shù)值模擬與沉陷機理分析

根據(jù)0901工作面地質(zhì)概況，應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立三維立體模型，模型尺寸長×寬×高為2000m×2000m×1500m，如圖4所示，模型左右兩側(cè)取水平位移約束邊界(即ux=0)，前后兩側(cè)取水平位移約束邊界(即uy=0)，下邊界取垂直位移約束邊界(垂直位移uz=0)，上邊界(地表)為自由邊界。回采過程中走向主斷面上位移和最大主應(yīng)力變化如圖5和圖6所示。從圖5，圖6可以看出，工作面開采后地表移動值較小，巖體應(yīng)力主要集中在采空區(qū)周邊區(qū)域。

圖4　工作面FLAC3D數(shù)學(xué)模型

圖5　主斷面垂直位移等值線

圖6　推進至200mm和1000mm時的最大主應(yīng)力等值線(MPa)

0901工作面為深部開采首采工作面，受多種因素影響，工作面的面長(D)較小，在大采深條件下，工作面開采的單向充分程度(D/H)很小，平均值為0.21，地表處于極不充分開采，表現(xiàn)在采空區(qū)覆巖破壞的特征上，具有懸臂梁、垮落拱等特性。在工作面推進方向的采動程度(L/H)0.99，小于1，未到充分采動程度，覆巖表現(xiàn)為彈性變形狀態(tài)，開采后模型塑性區(qū)分布如圖7所示。此外，上覆巖層厚度大，受擾動影響小，巖層整體強度高，表現(xiàn)為硬巖的特性。因此，0901工作面深部開采上覆巖層破壞具有均勻、整體壓縮、移動、變形的特點，表現(xiàn)為地表一定范圍內(nèi)的整體下沉，影響范圍擴大，地表下沉系數(shù)相應(yīng)減小。

圖7　開采后模型塑性區(qū)分布

4結(jié)論

(1)大強煤礦0901工作面開采沉陷實測表明：深部極不充分開采時，地表下沉值和下沉速率均較小，地表下沉活躍期不明顯。深部開采表現(xiàn)為地表一定范圍內(nèi)的整體下沉，影響范圍擴大，地表下沉系數(shù)相應(yīng)減小。

(2)深部開采沉陷與淺部非充分開采有一定的差別，采用概率積分法進行開采沉陷預(yù)計時應(yīng)對

預(yù)計參數(shù)進行修訂。

[參考文獻]

[1]謝和平，周宏偉，薛東杰，等.煤炭深部開采與極限開采深度的研究與思考[J].煤炭學(xué)報，2012，37(4):535-542.

[2]徐乃忠，王斌，祁永川.深部開采的地表沉陷預(yù)測研究[J].采礦與安全工程學(xué)報，2006，23(1):66-69.

[3]朱劉娟，鄒友峰，郭增長，等.深部開采地表沉陷預(yù)測與控制存在的問題及對策探討[J].中國礦業(yè)，2007，16(12):61-64.

[4]鄧喀中，張冬至，張周權(quán).深部開采條件下地表沉陷預(yù)測及控制探討[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000，29(1):52-55.

[5]于保華，朱衛(wèi)兵，許家林.深部開采地表沉陷特征的數(shù)值模擬[J].采礦與安全工程學(xué)報，2007，24(4):422-426.

[6]繆協(xié)興，茅獻彪，孫振武，等.采場覆巖復(fù)合關(guān)鍵層的形成條件與判別方法[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，34(5):547-550.

[責(zé)任編輯：施紅霞]

Rule and Mechanism of Surface Subsidence with Deep Mining in Daqiang Coal Mine

GAO Jun-hai1,2，BAI Guo-liang1,2

(1.CCTEG Tangshan Research Institute,Tangshan 063012,China;2.Tiandi(Tangshan)Mining Science & Technology Co.,Ltd.,Tangshan 063012,China)

Abstract:In order to solve the problems of surface subsidence predicting and controlling under deep mining，it taking Tiefa coal mineas an example，surface subsidence rules of deep mining were analyzed，surface movement mechanism of deep mining was analyzed bynumerical simulation.The results showed that surface subsidence value and subsidence rate were all small，when mining was extremely inadequate in deep，surface subsidence active period was unobvious.The characters of deep mining were special scope of surface subsidence entirely，influence scope expanded and surface subsidence coefficient decreased.Surface movement parameters should be revised when probability integral method was used in mining subsidence predicting．

Key words：mining in deep；surface subsidence；movement mechanism；subsidence predicting

[收稿日期]2015-08-19

[基金項目]國家科技支撐計劃項目(2012BAC13B03)；唐山市科技計劃項目(14130212B)

[作者簡介]高均海(1963-)，男，河北清苑人，研究員，博士，主要從事礦山測量新技術(shù)、開采損害防護及監(jiān)測方面的研究。

[中圖分類號]TD325

[文獻標(biāo)識碼]A

[文章編號]1006-6225(2016)02-0026-03

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.02.008

[引用格式]高均海，白國良.大強礦深部開采地表沉陷規(guī)律及機理研究[J].煤礦開采，2016，21(2)：26-28，52.