多種因素對地表移動規(guī)律的影響分析

何鑫瑞

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左云長春興煤業(yè)有限公司，山西 大同 037100)

0 引言

3107、3111、3115工作面為相鄰工作面，均位于井下3100采區(qū)上山以東，F(xiàn)8，F(xiàn)8-2斷層以南。工作面主采3上煤層，下距3下煤層0～37.24 m，距三灰平均86.69 m，屬較穩(wěn)定煤層。煤厚0～5.02 m，平均2.47 m。該煤層結(jié)構(gòu)較簡單，含0～3層夾石，夾石巖性為泥巖和粉砂巖。煤層頂板多為泥巖、粉砂巖，少數(shù)為炭質(zhì)泥巖。

3115工作面采寬80 m，工作面走向長度450 m。3111面采寬100 m，工作面走向長度950 m，3115、3111工作面之間留有100 m煤柱。3107工作面采寬80 m，3107工作面走向長度985 m。3111、3107工作面之間留設(shè)125 m煤柱，工作面平均采厚3.5 m，平均采深765 m。探討煤炭開采對地表移動規(guī)律的影響因素，對于地表環(huán)境治理十分必要。

1 開采厚度對地表移動規(guī)律的影響

1.1 數(shù)值模擬方案及結(jié)果

為了使研究結(jié)果具有可比性，通過僅改變需要研究的影響因素，其他條件不變。方案設(shè)立采厚分別為1 m、3 m、5 m、7 m、9 m的5個模型，各模型采深600 m，采、留寬為120 m，采出率50%，開采3個條帶工作面。各方案邊界條件、巖層參數(shù)等其它影響因素均保持一致[1-2]。

1.2 模擬結(jié)果分析

模擬結(jié)果：通過對上述方案的數(shù)值模擬，統(tǒng)計模擬結(jié)果見表1。對模擬獲取的各方案最大下沉值、最大水平移動值及下沉系數(shù)進(jìn)行回歸分析[3]。

表1 不同采厚下數(shù)值模擬結(jié)果

開采厚度對地表移動值的影響：地表最大下沉值與最大水平移動值隨開采厚度的增加呈冪函數(shù)關(guān)系增大，地表移動情況與全采時類似。對模擬數(shù)據(jù)的回歸分析，得到采厚不同時的回歸函數(shù)[4-5]，即

(1)

式中：Wmax—地表最大下沉量；Umax—最大水平移動值；m—采厚。

開采厚度對下沉系數(shù)的影響：下沉系數(shù)隨著采厚的增加呈冪函數(shù)減少，到達(dá)一定程度后，下沉系數(shù)變化將十分緩慢。通過對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到采厚不同時的回歸函數(shù)，即

q=0.302 4m-0.613 5

(2)

影響機(jī)理分析：采厚影響到地表變形的主要原因是加大了冒落帶和斷裂帶的高度，使覆巖破壞區(qū)域增大，傳遞到地表，使地表變形劇烈。大采高條采和全采對地表的變形影響取向基本一致，均是中間位置下沉量最大。在煤層傾角接近水平時，下沉曲線和水平移動曲線關(guān)于中心點(diǎn)對稱。

2 松散層厚度對地表移動規(guī)律的影響

2.1 數(shù)值模擬方案

為了使研究結(jié)果具有可比性，僅改變需要研究的影響因素，其他條件不變。設(shè)立松散層厚度為200 m、300 m、400 m、500 m、600 m的5種數(shù)值模型，各模型設(shè)置采深3.0 m，采、留120 m，煤層傾角按水平計算，開采3個條帶工作面。各方案邊界條件、巖層參數(shù)等其它影響因素均保持一致[6]。

2.2 模擬結(jié)果分析

模擬結(jié)果：通過對上述各方案的數(shù)值模擬，統(tǒng)計模擬結(jié)果見表2。通過對模擬獲取的各方案的最大下沉值、最大水平移動值及下沉系數(shù)進(jìn)行回歸分析。

松散層厚度對地表移動值的影響：松散層厚度與地表最大下沉值、最大水平移動值均呈線性關(guān)系，隨著松散層厚度的增大下沉值與水平移動線性減小。通過對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到松散層厚度不同時地表移動值的回歸函數(shù)，即

(3)

式中：h—開采深度。

表2 松散層厚度不同時數(shù)值模擬結(jié)果

松散層厚度對下沉系數(shù)的影響：下沉系數(shù)隨松散層厚度的增加呈對數(shù)關(guān)系增加，即松散層厚度越大，下沉系數(shù)越大。通過對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到松散層厚度不同時下沉系數(shù)的回歸函數(shù)，即

q=0.038 4ln(n)-0.066 1

(4)

3 彈性模量對地表移動規(guī)律的影響

3.1 數(shù)值模擬方案

為了使研究結(jié)果具有可比性，僅改變需要研究的影響因素，其他條件不變，方案制定如下[7]。

直接頂彈性模量不同：設(shè)立直接頂彈性模量為0.5 GPa、1.0 GPa、1.5 GPa、3.0 GPa、4.0 GPa的5個模擬模型，各模型采深600 m，采、留寬120 m，采出率50%，煤厚3.0 m，開采3個條帶工作面。各方案邊界條件、巖層參數(shù)等影響因素均保持一致。

基本頂彈性模量不同：設(shè)立基本頂彈性模量6 GPa、12 GPa、24 GPa、36 GPa、48 GPa的5個模擬模型，各模型采深為600 m，采、留寬120 m，采出率50%，煤厚3.0 m，開采3個條帶工作面。各方案邊界條件、巖層參數(shù)等影響因素均保持一致。

煤層彈性模量不同：設(shè)立基本頂彈性模量為0.3 GPa、0.6 GPa、0.9 GPa、1.8 GPa、2.4 GPa的5個模擬模型，各模型采深600 m，采、留寬120 m，采出率50%，煤厚3.0 m，開采3個條帶工作面。各方案邊界條件、巖層參數(shù)等影響因素均保持一致。

上覆巖層整體彈性模量不同：設(shè)立基本頂彈性模量為6 GPa、12 GPa、24 GPa、36 GPa、48 GPa的5個模擬模型，各模型采深為600 m，采、留寬120 m，采出率50%，煤厚3.0 m，開采3個條帶工作面。各方案邊界條件、巖層參數(shù)等其它影響因素均保持一致。

3.2 模擬結(jié)果分析

直接頂彈模不同時的影響：通過數(shù)值模擬，統(tǒng)計模擬結(jié)果見表3。通過對模擬獲取的各方案的最大下沉值、最大水平移動值及下沉系數(shù)進(jìn)行回歸分析得到直接頂彈模不同時的回歸函數(shù)。即

(5)

表3 直接頂彈模不同時數(shù)值模擬結(jié)果

基本頂彈模不同時的影響：通過數(shù)值模擬，統(tǒng)計模擬結(jié)果見表4。通過對模擬獲取的各方案的最大下沉值、最大水平移動值及下沉系數(shù)進(jìn)行回歸分析。通過對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到基本頂彈模不同時的回歸函數(shù)，即

表4 基本頂彈模不同時數(shù)值模擬結(jié)果

(6)

煤層彈模不同時的影響：通過數(shù)值模擬，統(tǒng)計模擬結(jié)果見表5。通過對模擬獲取的各方案的最大下沉值、最大水平移動值及下沉系數(shù)進(jìn)行回歸分析。通過對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到煤層彈模不同時的回歸函數(shù)，即

(7)

上覆巖層整體彈模不同時的影響：通過數(shù)值模擬，統(tǒng)計模擬結(jié)果見表6。通過對模擬獲取的各方案的最大下沉值、最大水平移動值及下沉系數(shù)進(jìn)行回歸分析。

表6 上覆巖層整體彈模不同時數(shù)值模擬結(jié)果

通過對模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到上覆巖層整體彈模不同的回歸函數(shù)，即

(8)

彈性模量對地表移動的影響規(guī)律：①無論改變哪一巖層的彈性模量，地表最大下沉值、最大水平移動及下沉系數(shù)都是隨著彈性模量的增大而減小。這是因?yàn)閺椥阅Ａ看蟮膸r層硬度較強(qiáng)，在外力荷載的作用下，支撐作用較強(qiáng)，表現(xiàn)在地表上是移動值的減小；②改變不同層位巖石的彈性模量，對地表的影響系數(shù)是不同的。從分析數(shù)據(jù)可以看出，越接近煤層的巖層(如直接頂)對地表變形情況及下沉系數(shù)的影響程度越大，而改變距離開采煤層較遠(yuǎn)的巖層，影響程度相對較小。

4 結(jié)語

文中對影響煤層開采過程中引起地表運(yùn)移的影響因素進(jìn)行分析，包括：煤層采厚、煤層采深、煤層圍巖彈性模量等，建立了數(shù)值模型，為分析煤層開采引起地表運(yùn)移分析提供支撐。但文中采用數(shù)值模擬研究是在對地質(zhì)采礦條件作一定簡化的條件下得出的結(jié)論，對其它特殊地質(zhì)采礦條件下(如急傾斜煤層、斷層、褶曲等)仍需作進(jìn)一步分析和研究，建立大采深寬條帶開采優(yōu)化設(shè)計理論，指導(dǎo)煤礦生產(chǎn)實(shí)踐，從而在保證地面建筑物不損害或少損害的前提下，提高資源采出率和開采效益。