淺埋多煤層開(kāi)采方式對(duì)地表沉陷運(yùn)移影響的數(shù)值模擬研究

張緩緩，葉永芳

(江西省煤田地質(zhì)局二二四地質(zhì)隊(duì)， 南昌 330002)

煤層采出后，采區(qū)圍巖原始應(yīng)力平衡遭到破壞，由于采動(dòng)影響，工作面支撐應(yīng)力的降低，使得采空區(qū)上覆巖層發(fā)生向下的移動(dòng)及變形，當(dāng)開(kāi)采面積達(dá)到一定范圍后，巖層移動(dòng)便會(huì)拓展到地表，進(jìn)而引起地表的下沉，產(chǎn)生地表沉陷以及地裂縫等問(wèn)題。而當(dāng)開(kāi)采煤層賦存較淺，其采動(dòng)勢(shì)必會(huì)引起更為嚴(yán)重的地表下沉變形，若地表下沉變形達(dá)到一定程度時(shí)，便引起地表的沉陷，給土地、水資源、地表構(gòu)筑物，農(nóng)作物及當(dāng)?shù)丨h(huán)境等造成嚴(yán)重的損害。

采煤引起的地表下沉運(yùn)移影響因素很多，如煤層賦存條件、煤巖層傾角、覆巖力學(xué)性質(zhì)、采厚、開(kāi)采方式等等，而對(duì)于多煤層賦存的地層條件下，如何正確的選擇開(kāi)采的順序來(lái)減少對(duì)對(duì)地表沉陷的影響尤為重要。

貴州省六盤水市雞場(chǎng)鄉(xiāng)霖源煤礦煤層埋深較淺，可采煤層多且厚，煤層之間巖層多為砂質(zhì)泥巖、泥巖類軟性巖層，加上該地區(qū)煤層傾角相對(duì)較大，為25°～40°，平均35°。在這種地質(zhì)條件下煤層的不同開(kāi)采順序?qū)Φ乇碛绊懗潭鹊拇笮【图毙璺治?，從而提出更為安全的開(kāi)采順序，并提前做好地面工作的安全防范措施，以滿足綠色發(fā)展的理念。

1 研究區(qū)地質(zhì)特征

1.1 地層

礦區(qū)及鄰近出露的地層由老至新依次為二疊系中統(tǒng)茅口組(P2m)，二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組(P3β)、宣威組(P3x)，三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)及第四系(Q)。

1)二疊系中統(tǒng)茅口組(P2m)。礦區(qū)未出露該層地層，鄰近礦區(qū)有所出露，巖性主要為淺灰-深灰色泥晶結(jié)構(gòu)的中厚-厚層狀石灰?guī)r，產(chǎn)動(dòng)物化石。

2)二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖組(P3β)。分布于礦區(qū)西南部，巖性主要為灰綠色拉斑玄武巖、暗綠色火山角礫巖及凝灰?guī)r。巖體呈層狀分布于含煤地層之下，為含煤巖系的沉積基地，厚度100.0～250.0m，與下伏地層呈假整合接觸。

3)二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P3l)。礦區(qū)內(nèi)主要的含煤地層，為一套陸相沉積，巖性主要為灰色、深灰色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r及煤層組成，具水平層理、波狀層理、交錯(cuò)層理，厚350～430m，平均390m，產(chǎn)腕足類、瓣腮類、介形蟲等動(dòng)物化石，產(chǎn)大羽羊齒、鱗木等植物化石及植物化石碎片、煤核等。

4)三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)。分布于礦區(qū)北東及附近，巖性主要為灰綠色、灰黃色、紫灰色薄層狀粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖夾灰?guī)r或泥質(zhì)灰?guī)r等，具水平層理、交錯(cuò)層理、波狀層理，產(chǎn)腕足類、瓣腮類動(dòng)物化石。層厚480.0～610.0m，平均厚550.0m，組內(nèi)連續(xù)沉積，與下伏地層呈假整合接觸。

5)第四系(Q)。主要為坡積物、沖積物及殘積物等，厚度0～20.0m。

1.2 構(gòu)造

礦區(qū)位于楊梅向斜西翼即發(fā)耳勘探區(qū)北盤江以西塊段，構(gòu)造形態(tài)單一，地層走向北西—南東，傾向北東，傾角25°～45°，一般30°～35°。礦區(qū)北東即原霖源煤礦及邊界附近發(fā)現(xiàn)有兩條斷層：F1、F2。F1位于礦區(qū)南西部，走向南西—北東，傾向南東，為缺失正斷層，斷距60.0～80.0m；F2斷層位于礦區(qū)北部，走向北東—南西，傾向南西，為重復(fù)逆斷層，斷距20.0～30.0m。礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造總體屬中等構(gòu)造。

筆者認(rèn)為，法庭口譯員固然應(yīng)該扮演更為活躍的角色，同時(shí)也不否認(rèn)有經(jīng)驗(yàn)的譯員能夠在做出文化調(diào)解時(shí)保持中立性和準(zhǔn)確性，并將對(duì)庭審的干預(yù)降到最少，但是法庭口譯員扮演文化調(diào)解者的角色至少有兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)：

1.3 煤層賦存

礦區(qū)主要含煤地層為龍?zhí)督M(P3l)，屬陸相沉積，假整合于峨嵋山玄武巖組之上，主要由淺灰色、灰色及深灰色，薄層狀細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖、煤層與少量灰?guī)r、燧石灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r組成。含煤35～80層，一般為60層，全區(qū)主采煤層為7層(3#、7#、10#、13#、15-1#、15-2#、17#)，煤層賦存條件相對(duì)較好，主采煤層全區(qū)發(fā)育較穩(wěn)定。礦區(qū)已開(kāi)采煤層有3#、7#，目前正在開(kāi)采東南部的10#、13#，計(jì)劃開(kāi)采西北部的10#、13#及深部的15-1#、15-2#，而因淺部煤層的開(kāi)采，已導(dǎo)致礦區(qū)周邊地表出現(xiàn)不同程度的沉陷以及地裂縫，見(jiàn)圖1。

圖1 礦區(qū)周邊地表沉陷Figure 1 Mine area and periphery surface subsidences

江西省煤田地質(zhì)局二二四地質(zhì)隊(duì)于2019年施工完成了ZK1002孔。該孔開(kāi)孔即為煤系，鉆孔深度477.6m，共揭露煤層61層，巖層傾角在30°～40°之間，平均35°。論文利用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，模擬霖源煤礦5-3#、7#、15-1#、15-2#分別按下行開(kāi)采及上行開(kāi)采兩種不同開(kāi)采順序情況下地表下沉運(yùn)移的情況，模擬層段巖層小柱狀如下圖2所示。

圖2 模擬層段巖層柱狀Figure 2 Simulated segment stratigraphic column

2 煤層開(kāi)采方式對(duì)地表沉陷運(yùn)移的數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型建立

以ZK1002孔實(shí)際揭露巖性為模擬對(duì)象，模型模擬尺寸設(shè)為100m×100m×220m，因模型上邊界為地表，故其初始垂直應(yīng)力為0，煤層開(kāi)挖過(guò)程中按模擬巖體總厚對(duì)模型上邊界施加應(yīng)力，即：σz=γH，γ取模型底部上覆巖層的加權(quán)平均，即5.5MPa，測(cè)壓系數(shù)設(shè)為0.33。

模型邊界條件為：底部邊界采用全約束邊界條件，即X、Y和Z方向位移均為零；左右邊界、前后邊界為約束邊界條件，即X方向、Y方向均固定(水平位移為零)，Z方向?yàn)樽杂蛇吔?，不予約束，地質(zhì)模型見(jiàn)下圖3所示。

模擬煤層為5-3#、7#、15-1#、15-2#，煤層厚分別為1.5、2.5、3.0及2.0m，設(shè)計(jì)開(kāi)挖100m，煤層兩端均留有20m的保護(hù)煤柱，開(kāi)挖步距設(shè)為20m，重點(diǎn)研究不同開(kāi)采順序條件下對(duì)地表下沉運(yùn)移的影響，模擬過(guò)程中對(duì)可采煤層頂?shù)装鍘r性厚度進(jìn)行了合理的槪化。因本次勘探巖石力學(xué)測(cè)試尚未出結(jié)果，其模型參數(shù)根據(jù)以往勘探地質(zhì)報(bào)告資料及周邊礦區(qū)相關(guān)參考文獻(xiàn)獲得(表1)，為一般值，后續(xù)工作需根據(jù)本次巖石力學(xué)測(cè)試成果做進(jìn)一步調(diào)整。

圖3 地質(zhì)模型Figure 3 Geological model

2.2 下行開(kāi)采時(shí)的模擬分析

根據(jù)前文的模擬建立，依次對(duì)5-3#、7#、15-1#、15-2#煤進(jìn)行從上向下的順序開(kāi)挖模擬，開(kāi)挖20、40和80m時(shí)對(duì)應(yīng)的地表沉降曲線及水平位移曲線見(jiàn)圖4。

表1 模型參數(shù)

從圖4a可以看出，隨著煤層的不斷推進(jìn)，地表下沉量是越來(lái)越大的，且變化趨勢(shì)基本一致。而地表水平位移(圖4b)在每一步的開(kāi)挖過(guò)程中均先逐漸增大，后逐漸減小，呈對(duì)稱形態(tài)，且基本均在模型地表中部有明顯的下降。地表水平位移的變化程度大致相同，曲線基本重疊，相對(duì)于地表沉降，水平位移較小，最大僅為2.858 9mm，對(duì)地面的影響較小，而開(kāi)挖20、40及60m對(duì)應(yīng)的最大下沉量分別為58.590mm、62.246mm和66.451mm，對(duì)地面的影響較大，且范圍也較廣。

圖4 下行開(kāi)采時(shí)地表變化曲線Figure 4 Surface variation curves under descending mining

2.3 上行開(kāi)采時(shí)的模擬分析

根據(jù)前文的模擬建立，依次對(duì)5-3#、7#、15-1#、15-2#煤進(jìn)行從下向上的順序，開(kāi)挖20、40和80m時(shí)對(duì)應(yīng)的地表沉降曲線及水平位移曲線見(jiàn)圖5。

圖5 上行開(kāi)采時(shí)地表變化曲線Figure 5 Surface variation curves under ascending mining

從圖5a可以看出，地表沉降曲線變化規(guī)律與從下行開(kāi)采時(shí)大體相同，隨著煤層的不斷推進(jìn)，地表受采動(dòng)影響的范圍越來(lái)越大，下沉量也隨之增加，且變化趨勢(shì)基本一致。而地表水平位移(5b)變化規(guī)律與下行開(kāi)采時(shí)略有不同，前期曲線呈近似對(duì)稱分布，隨著煤層的不斷推進(jìn)(60m)，非對(duì)稱性逐漸出現(xiàn)，且水平位移在地表中部前方位置比推進(jìn)20、40m小，而在地表中部后方位置，推進(jìn)60m時(shí)的水平位移大于前者。相對(duì)于地表沉降，水平位移也較小，最大僅為2.878 2mm，對(duì)地面的影響較小，而開(kāi)挖20、40及60m對(duì)應(yīng)的最大下沉量分別為56.725mm、61.819mm和66.689mm，比從下行開(kāi)采時(shí)略大。

2.4 不同開(kāi)采方式地表沉陷對(duì)比分析

根據(jù)模擬，對(duì)兩種不同開(kāi)采順序下的開(kāi)挖過(guò)程地表下沉量進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)圖6。

從圖6可以看出，隨著煤層的不斷推進(jìn)，地表沉降是呈近“S”曲線變化的，且兩種開(kāi)采順序引起的地表沉陷曲線變化有所不同，推進(jìn)20m時(shí)在地表中部前方位置下行開(kāi)采與上行開(kāi)采時(shí)下沉量的差值是越來(lái)越大的，而地表中部后方位置下沉量差值在逐漸減?。煌七M(jìn)40m與推進(jìn)20m時(shí)變化基本一致，但差值變化是有所減少的，但下行開(kāi)采時(shí)的沉降量均是大于上行開(kāi)采時(shí)的沉降量；隨著煤層開(kāi)采的進(jìn)一步推進(jìn)(推進(jìn)60m)，上行開(kāi)采時(shí)的沉降量雖大于下行開(kāi)采時(shí)的沉降量，但差值并不大，基本重疊。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)以上數(shù)值模擬的結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

1)地表水平移動(dòng)基本上是呈對(duì)稱形態(tài)，在煤層的每一步推進(jìn)過(guò)程中，水平位移基本是在地表中部前方位置逐漸增大，在中部后方位置又逐漸減小的趨勢(shì)。

2)多煤層開(kāi)采順序不同導(dǎo)致地表沉陷運(yùn)移變形也不同，數(shù)值模擬結(jié)果顯示下行開(kāi)采時(shí)地表下沉量總體比上行開(kāi)采時(shí)的下沉量較大。

3)鑒于霖源煤礦各可采煤層頂?shù)装宥酁檐浫鯉r層，其強(qiáng)度較低，若煤礦進(jìn)行多煤層開(kāi)采，為確保煤礦安全開(kāi)采，減少采煤活動(dòng)對(duì)地表沉陷的影響，建議采用上行開(kāi)采方式，并留設(shè)足夠尺寸的保護(hù)煤柱。