硬厚巖漿巖下采動地表沉陷規(guī)律研究

柴文彥

（陽煤集團安澤登茂通煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 043500）

工作面的推進會引起煤層上覆巖層的彎曲、下沉、破斷，且隨著工作面的推進不斷向上發(fā)育。當(dāng)發(fā)育到硬厚巖漿巖時，由于硬厚巖漿巖短懸跨距離內(nèi)變形量極小且不會發(fā)生破斷，引起巖層移動的暫時性屏蔽。由于巖漿巖的屏蔽作用，會導(dǎo)致地表移動的改變。硬厚巖層破斷后極易誘發(fā)工作面發(fā)生沖擊地壓、礦震、支架壓架、地表斑裂等動力災(zāi)害[1-4]。為了充分了解硬厚巖漿巖作為主關(guān)鍵層對地表沉陷的影響，本文對硬厚巖漿巖引起的地表移動進行數(shù)值模擬，以期從模擬結(jié)果中得出硬厚巖漿巖賦存時地表移動的規(guī)律，為煤礦生產(chǎn)提供一定的指導(dǎo)意義。

1 工程實例

安澤登茂通煤業(yè)為煤層群開采，故采用分組聯(lián)合，雙翼上山方式布置采區(qū)，分組下行式開采。前組采區(qū)開采4、6層煤，后組采區(qū)開采11、13、15、16層煤。采區(qū)走向長度為1100～1500m，階段垂高80～100m，工作面斜長140～160m。區(qū)域內(nèi)可采煤層有6層，其中第4、6、11、16煤層為穩(wěn)定煤層，第13、15煤層為較穩(wěn)定煤層。目前主要開采4、6煤層。從上部已開采的4煤工作面附近鉆孔看，4層煤在本區(qū)為一結(jié)構(gòu)較為簡單的厚煤層，厚度在5.5～6.9m，平均6.2m，變異系數(shù)22%。4煤層厚度大，煤層結(jié)構(gòu)簡單，為全區(qū)大部可采的穩(wěn)定煤層。根據(jù)井下實際觀測及煤樣實驗結(jié)果，4煤層節(jié)理、裂隙較發(fā)育，表現(xiàn)為煤體單軸抗拉強度與單軸抗壓強度之比較小（約為0.05），一般情況下煤巖體的單軸抗拉強度與單軸抗壓強度之比為0.125，有利于頂煤在支承壓力及彎曲旋轉(zhuǎn)作用下產(chǎn)生破壞，有利于放頂煤開采。4煤層頂板一般為細砂巖或粉砂巖，厚0.38～20.70m，底板一般為粉砂巖或細砂巖，厚 0.60～26.75m，下距 6煤層 37.30～43.31m，平均39.32m。

第6煤層煤厚0.80～1.25m，平均1.13m，變異系數(shù)10%。煤層結(jié)構(gòu)簡單，不含夾矸，6煤層為全區(qū)大部可采、結(jié)構(gòu)簡單的穩(wěn)定煤層，煤層賦存標(biāo)高-700～ -1700m。6煤層頂板一般為粉砂巖或細砂巖，厚1.60～4.35m，平均3.25m；底板一般為粉砂巖或細砂巖，厚1.90～14.85m，平均10.99m；下距一灰13.60～14.85m，平均14.02m；下距第11煤層96.47～102.31m，平均100.36m，間距穩(wěn)定。華豐礦煤層覆巖中古近系礫巖層厚度大（400～800m），巖層堅硬，整體性好，而且表土層薄（0～8m）。

2 數(shù)值模型建立及觀測方案

2.1 數(shù)值模型建立

模型設(shè)定為水平煤層，模型煤層埋深624m，煤層開采厚度為6m，開采煤層距離硬厚巖漿巖80m，硬厚巖漿巖的厚度為60m，模型長度1600m，高度為660m，建立模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值分析力學(xué)模型示意圖

模型選用的登茂通礦煤巖體力學(xué)參數(shù)，所選用的煤巖體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 主要巖石力學(xué)參數(shù)

模型的數(shù)值計算采用莫爾-庫侖準(zhǔn)則的圍巖本構(gòu)關(guān)系，應(yīng)力-位移混合邊界，模型上邊界采用自由邊界條件，模型上表面為地表表土層，如圖1表示；模型的下邊界、左邊界、右邊界采用零位移邊界條件，具體約束如下。

（1）模型的左右邊界為水平位移約束邊界，取Ux=0，Vx=0 (即水平方向的位移和速度矢量均為0)。

（2）模型的下邊界采用全約束邊界，在豎直和水平方向上均固定，即Vy=0，Ux=0，Vx=0。

（3）模型的上邊界采用自由邊界，計算模型上邊界的覆巖為地表表土層。

3 硬厚巖漿巖下采動地表下沉量研究

將工作面不同推進距離內(nèi)，硬厚巖漿巖的下沉曲線繪于圖2。由圖2可以看出，硬厚巖漿巖在破斷前（工作面推進到260m以前），硬厚巖漿巖下沉量較小，硬厚巖漿巖的下沉曲線基本對稱，而且隨著工作面的推進巖漿巖的下沉量不斷增大，硬厚巖漿巖最大下沉點隨工作面的推進不斷向前向下移動。由于巖漿巖厚度大（60m），強度高，短推進距離內(nèi)不發(fā)生破斷，導(dǎo)致當(dāng)工作面推進到200m時，巖漿巖最大下沉量僅為0.358m。工作面繼續(xù)推進到240m，巖漿巖最大下沉量僅為0.512m，工作面推進了40m，巖漿巖的最大下沉量僅增加0.154m，如圖2（a）所示。工作面繼續(xù)向前推進到250m，巖漿巖的最大下沉量達0.885m，工作面推進了10m，巖漿巖下沉量增加了0.373m，巖漿巖下沉量增幅開始加大。當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進到260m時，巖漿巖的最大下沉量急劇增加到4.159m，如圖2（b）所示，巖漿巖發(fā)生破斷。由圖2（c）及圖2（b）可以看出，巖漿巖破斷后，隨著巖漿巖下部巖層空隙被壓實，巖漿巖下沉量緩慢增加，當(dāng)工作面推進到320m時，巖漿巖的最大下沉量達到4.754m，此時巖漿巖的下沉量達到最大。

圖2 不同推進距離的巖漿巖下沉量

由以上分析可以得到，由于巖漿巖具有厚度大、巖層堅硬、整體性好的特點，巖漿巖破斷前只發(fā)生彎曲下沉，下沉量極小。巨厚巖漿巖破斷時其下沉量具有突變性，在短的推進距離內(nèi)從幾十厘米上升為幾米，變化幅度巨大。硬厚巖漿巖破斷后，由于巖漿巖下部巖層空隙的壓實，巖漿巖緩慢下沉，直至穩(wěn)定。本模型巖漿巖的變化可分為彎曲下沉（工作面推進到250m以前）、斷裂下沉（工作面推進到250～260m期間）和壓實下沉（工作面推進到260～600m期間）三個階段。

4 結(jié)論

地表的下沉量與下沉速度在巖漿巖未破斷時其值較小，當(dāng)巖漿巖破斷時，地表下沉量出現(xiàn)跳躍式增加。巖漿巖作為主關(guān)鍵層控制著地表下沉量與變化，即巖漿巖對地表動態(tài)下沉起關(guān)鍵控制作用。