彬長礦區(qū)綜采工作面地表巖移規(guī)律研究

鄒娟茹，董漢軍，李 昂

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西安科技大學(xué)，陜西 西安 710054）

彬長礦區(qū)綜采工作面地表巖移規(guī)律研究

鄒娟茹1，董漢軍2，李 昂2

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.西安科技大學(xué)，陜西 西安 710054）

以實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算，深入分析了彬長礦區(qū)綜采工作面地表移動(dòng)變形規(guī)律及機(jī)理，得到地表沉降形態(tài)，給出了該礦區(qū)綜采條件下地表巖移相關(guān)參數(shù)以及地表移動(dòng)變形規(guī)律和特點(diǎn)，可為類似地質(zhì)條件下煤層開采提供技術(shù)依據(jù)。

綜采工作面；地表巖移；變形規(guī)律；數(shù)值模擬

煤炭開采必然伴隨著圍巖及地表移動(dòng)和變形[1-3]。近年來，隨著礦井開采范圍的擴(kuò)大，地面保護(hù)物下的煤層開采問題日益突出[4]。因此對(duì)煤礦開挖過程中巖層與地表移動(dòng)規(guī)律的研究是安全開采和留設(shè)合理保護(hù)煤柱的關(guān)鍵[5-6]。在開采區(qū)建立地表巖層移動(dòng)變形觀測站，進(jìn)行地表巖層移動(dòng)參數(shù)觀測研究，對(duì)于礦區(qū)煤層合理開發(fā)，礦區(qū)的“三下”開采和合理安全煤柱留設(shè)以及礦區(qū)滑坡﹑坍塌地質(zhì)災(zāi)害控制具有重要的理論研究和應(yīng)用價(jià)值，能保證礦井的安全生產(chǎn)[7-8]。本文以彬長礦區(qū)某礦401102綜采工作面為例，重點(diǎn)研究了工作面綜采條件下上方地表巖移規(guī)律，旨在為該礦區(qū)后期的安全開采和合理安全煤柱留設(shè)提供參考依據(jù)。

1 工程概況

1.1 煤層地質(zhì)條件

401102綜采工作面是彬長礦區(qū)某礦在401盤區(qū)布置的第二個(gè)工作面，其地理坐標(biāo)范圍是X：3889300～3890687；Y：36495398～36495633。該工作面設(shè)計(jì)長度為1 350 m，可采長度為1 172.5 m（平距），傾向長為180 m，面積為211 050 m2。401102綜采工作面為4號(hào)煤層，頂板巖性以灰～深灰色粉砂巖﹑泥巖為主，底板則以灰～灰褐色鋁質(zhì)泥巖為主，賦存穩(wěn)定，厚度為2.2～5.5 m，煤層傾角為5°，其實(shí)際采高為3.0 m。煤層埋深為613.8～690.6 m，從工作面南側(cè)向北側(cè)煤層底板逐步降低，其中最低處為A3向斜軸部附近，最高處為切眼附近。

1.2 水文地質(zhì)條件

地層存在兩個(gè)含水層段：4號(hào)煤層及其上部的中粗粒砂巖﹑砂礫巖含水層段，厚度為40～80 m。據(jù)以往抽水實(shí)驗(yàn)，該層單位涌水量為0.000 046～0.000 74 L/s·m；滲透系數(shù)為0.000 38～0.001 27 m/d，富水性微弱，但具有較強(qiáng)的承壓性，補(bǔ)給源較遠(yuǎn)，補(bǔ)給水頭亦高。其隔水層由4號(hào)煤層頂﹑底板粉﹑細(xì)粒砂巖，泥巖，砂質(zhì)泥巖組成，厚度為60～100 m，為相對(duì)連續(xù)和穩(wěn)定的隔水層。

2 地表巖移觀測站設(shè)計(jì)

401102綜采工作面走向長度為1 495.5 m，傾向長為180 m，結(jié)合全盆地走向觀測線的設(shè)計(jì)方法，地表巖移觀測系統(tǒng)布設(shè)了一條走向觀測線和一條傾向觀測線，走向觀測線長1 060 m，布設(shè)33個(gè)沉降監(jiān)測點(diǎn)A1～A33，3個(gè)控制點(diǎn)K1～K3；傾向觀測線長900 m，布設(shè)28個(gè)沉降監(jiān)測點(diǎn)B1～B28，3個(gè)控制點(diǎn)K4～K6，觀測站布設(shè)情況見圖1。相鄰兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的間距約為30 m，控制點(diǎn)間距為30～45 m。

圖1 井上下對(duì)照?qǐng)D

3 地表巖移變化規(guī)律分析

觀測站于2014年1月建立，2014年4月1日開始觀測，2016年1月15日觀測結(jié)束，歷時(shí)24個(gè)月，共進(jìn)行了6次全面觀測和15次日常水準(zhǔn)觀測，取得了大量的觀測資料。

3.1 地表下沉形態(tài)

通過對(duì)地表巖移觀測站監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，得到401102綜采工作面觀測站測點(diǎn)的最大移動(dòng)變形值，見表1。同時(shí)，以走向觀測線測點(diǎn)為橫坐標(biāo)，豎向變形為縱坐標(biāo)，繪制了401102綜采工作面回采過程中回采面上方地表隨時(shí)間變化的部分下沉曲線（圖2）。

表1 實(shí)測地表最大移動(dòng)變形值

圖2 走向A觀測線下沉曲線

從表1可以看出，采動(dòng)影響下，地表沉降變形很大，走向線地表沉降達(dá)到1 752 mm，傾向線地表沉降達(dá)到1 336 mm，水平方向也發(fā)生較大變形，這與地表局部地區(qū)出現(xiàn)裂縫相吻合。由圖2可知，隨著綜采工作面的不斷推進(jìn)，地表沉降范圍和下沉值逐漸增大，沉降槽中心位置沿開采方向不斷移動(dòng)，最終在綜采面走向的中部穩(wěn)定下來，與開采沉陷的一般規(guī)律吻合，說明觀測結(jié)果可信。

3.2 地表巖移參數(shù)計(jì)算分析

1）下沉系數(shù)。根據(jù)各觀測線的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究其變形規(guī)律，再從每條觀測線上選取具有代表性觀測點(diǎn)的累計(jì)下沉值進(jìn)行反算，得到下沉系數(shù)q，其計(jì)算公式為：

式中，M為煤層實(shí)際開采厚度（mm）；Wcm為累計(jì)下沉值（mm），為觀測點(diǎn)累計(jì)實(shí)測值；α為煤層傾角，這里取5°。

經(jīng)過計(jì)算得到下沉系數(shù)q介于 0.31～0.45，平均值為0.35。

2）水平移動(dòng)系數(shù)。根據(jù)各觀測線的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出其中的共性，再從每條觀測線上選取具有代表性觀測點(diǎn)的累計(jì)下沉值和對(duì)應(yīng)的水平移動(dòng)值，反算水平移動(dòng)系數(shù)b，其計(jì)算公式為：

式中，Ucm為水平移動(dòng)值（mm），為觀測點(diǎn)累計(jì)實(shí)測值。

經(jīng)過計(jì)算得到水平移動(dòng)系數(shù)b介于 0.24～0.39，平均值為0.31。

3）開采影響傳播角。根據(jù)各觀測線的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出其中的共性，再從每條觀測線上選取具有代表性觀測點(diǎn)的累計(jì)下沉值和對(duì)應(yīng)的水平移動(dòng)值，反算開采影響傳播角θ0，其計(jì)算公式為：

經(jīng)過計(jì)算得到開采影響傳播角θ0介于68°～72°，平均值為70°。

4）巖移角值。巖移角值具體參數(shù)見表2。

表2 巖移角值參數(shù)

3.3 地表移動(dòng)變形規(guī)律

1）該區(qū)域地表下沉值較大，但因煤層埋深在600 m以上，地表下沉系數(shù)較小，僅為0.35，水平移動(dòng)系數(shù)為0.31。在401102工作面回采過程中，工作面上覆巖層承載能力下降，在上覆巖層自重的作用下整體下沉，導(dǎo)致該區(qū)域地表下沉較為明顯。

2）地表下沉盆地陡峭，變形分布集中。401102工作面正上方地表下沉值大，邊界附近曲線陡峭，煤柱上方下沉值明顯較小，曲線平緩，延伸較遠(yuǎn)。

3）在401102工作面開采影響傳播角為70°，上覆巖層整體性較差，強(qiáng)度低，誘發(fā)圍巖在水平方向的移動(dòng)滯后于垂直方向上的移動(dòng)，導(dǎo)致采空區(qū)上方地表下沉量大，出現(xiàn)多條裂縫。

4 數(shù)值模擬分析

4.1 計(jì)算模型的建立

為進(jìn)一步分析401102工作面綜采條件下地表移動(dòng)變形規(guī)律及機(jī)理，運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)綜采工作面巖層的破壞程度和對(duì)地表的影響規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。模擬工作面推進(jìn)長度為1 200 m，開采寬度為 180 m，煤層采厚為3 m，采深為640 m，采用莫爾—庫倫本構(gòu)模型，數(shù)值計(jì)算模型見圖3。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型示意圖

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

由圖4可以看出，工作面開采后采空區(qū)頂﹑底板出現(xiàn)應(yīng)力釋放區(qū)；采空區(qū)兩側(cè)的覆巖內(nèi)出現(xiàn)豎向應(yīng)力集中現(xiàn)象，特別是靠近采空區(qū)的煤柱上方巖層豎向應(yīng)力最大；采空區(qū)中部上覆巖層豎向應(yīng)力逐漸減小。通過進(jìn)一步分析可知，綜采工作面開采后，在采空區(qū)上方基巖內(nèi)部形成拱型應(yīng)力平衡結(jié)構(gòu)，使得采空區(qū)上方原有載荷向兩側(cè)煤柱轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致其應(yīng)力釋放，造成兩 側(cè)煤柱承受了較大荷載。

圖4 401102工作面開采完的巖層豎向應(yīng)力云圖（單位：Pa）

因此，在綜放開采條件下，頂板巖層脆性破壞發(fā)育，卸載速率快，極易發(fā)生離層和跨落，而覆蓋于基巖上方的松散層，在自重作用下下落到巖層的離層和裂隙當(dāng)中，加劇了地表沉陷變形程度。煤層上覆地層發(fā)生移動(dòng)變形的根本原因在于自重壓應(yīng)力和巖層彎曲產(chǎn)生的拉應(yīng)力的綜合影響。但是，由于松散層膠結(jié)力弱，煤柱上方松散層所受到的拉應(yīng)力偏小，下沉變形也較小，而在采空區(qū)上方，頂板巖層承受松散層重力和巖層彎曲拉應(yīng)力的雙重作用，沉陷變形明顯加劇，下沉量增大。此外，由于工作面上方松散層厚度大，作為荷載，松散層加快了巖層的變形進(jìn)程，而作為松散介質(zhì)，松散層使地層水平移動(dòng)明顯滯后于豎直方向移動(dòng)。

5 結(jié) 語

本文采用現(xiàn)場測量和數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)彬長某礦401102綜采工作面地表巖移規(guī)律進(jìn)行了研究，得到了以下結(jié)論：

1）綜采工作面回采過程中地表下沉形態(tài)表現(xiàn)為：隨著綜采工作面不斷推進(jìn)，地表沉降范圍和下沉值逐漸增大，沉降槽中心位置沿開采方向移動(dòng)，最終在綜采面走向的中部穩(wěn)定下來。

2）通過分析工作面地表沉陷變形的觀測資料，得到了綜放開采條件下地表巖移相關(guān)參數(shù)，揭示了該礦區(qū)特定地質(zhì)采礦條件下地表移動(dòng)與變形的一般規(guī)律和特點(diǎn)，為礦井開展“三下”采煤及安全煤柱留設(shè)提供了可靠的技術(shù)依據(jù)。

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P258

B

1672-4623（2017）09-0108-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.09.033

2016-12-30。

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41402265）；陜西省自然科學(xué)基金基礎(chǔ)研究計(jì)劃(面上項(xiàng)目)資助項(xiàng)目（2016JM4014）；中國博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目一等資助項(xiàng)目（2016M590961）；楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目（A2014014）；楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院人文社科類研究基金資助項(xiàng)目（GJ1516）。

鄒娟茹，碩士，講師，主要從事GPS應(yīng)用技術(shù)、攝影測量與遙感、GIS等方面的研究。