傾斜煤層采動(dòng)影響下的擠壓變形區(qū)移動(dòng)變形特征分析

董建輝，李海軍，涂昌鵬，邱 茂，陳 靜

(1.成都大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，成都610106；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610059；3.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，重慶 400042)

煤層采動(dòng)引起的地表沉陷已成為危害人民生命財(cái)產(chǎn)和生產(chǎn)、生活的主要災(zāi)害[1-2]。地表移動(dòng)是指在隨著工作面開采，采空區(qū)面積增大到一定程度之后，自頂板巖層向上，采空區(qū)形成三帶即垮落帶、裂隙帶、彎曲帶[3-4]。當(dāng)巖層移動(dòng)至地表，將導(dǎo)致地表產(chǎn)生連續(xù)或非連續(xù)沉陷變形，此種現(xiàn)象在地表沉陷研究領(lǐng)域中稱為地表移動(dòng)，所以地表移動(dòng)是一種由于地下開采長(zhǎng)期影響造成的人工地質(zhì)現(xiàn)象[5]。地表移動(dòng)的過(guò)程、程度、規(guī)律與多種地質(zhì)條件和開采因素有關(guān)[6]，通過(guò)大量實(shí)際觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)研究，地表移動(dòng)程度和破壞形式主要受煤礦開采深度、開采厚度、開采方法、地質(zhì)情況及煤層產(chǎn)狀影響。根據(jù)沉陷的形態(tài)特征，歸納起來(lái)，其破壞形式主要有以下 3 種類型：地表移動(dòng)盆地，裂縫、臺(tái)階，塌陷坑、漏斗[7-8]。黃昌富等[9]運(yùn)用相似模型試驗(yàn)方法，對(duì)兩組急傾斜煤層的開采進(jìn)行了模擬，研究了急傾斜煤層的開采規(guī)律；陳廣金等[10]采用了相似材料模擬試驗(yàn)方法，研究了緩傾斜煤層開采后圍巖應(yīng)力分布規(guī)律; 程國(guó)明等[11]運(yùn)用數(shù)值模擬方法, 研究了三種不同開采順序引起的管線變形與應(yīng)力變化規(guī)律；王曉蕾[12]對(duì)煤層開采后上覆基巖的破壞機(jī)理進(jìn)行了研究；王一棟等[13]采用數(shù)值模擬的方法分析了煤層在采動(dòng)過(guò)程中的應(yīng)力分布特征。目前中外很少有學(xué)者對(duì)傾斜煤層采動(dòng)影響下的擠壓變形區(qū)移動(dòng)變形特征展開深入研究，現(xiàn)通過(guò)對(duì)南桐礦區(qū)煤層采動(dòng)影響下巖層變形的基本原理，以及采用數(shù)值模擬方法來(lái)分析巖層移動(dòng)擠壓變形區(qū)特征，以期為減少由煤層采動(dòng)引起的地質(zhì)災(zāi)害提供可靠依據(jù)。

圖1 南桐礦區(qū)工程地質(zhì)平面圖

1 工程概況

南桐礦區(qū)位于重慶市西南端萬(wàn)盛經(jīng)開區(qū)，礦區(qū)北起南川市南坪鎮(zhèn)木渡河，南止藻渡河，距重慶市區(qū)直線約80 km。該區(qū)域位于四川盆地和云貴高原交界處，主要為山區(qū)地貌，地形為東高西低。在王家壩向斜以南、八面山向斜北東，由于受構(gòu)造影響，巖層多直立或倒轉(zhuǎn)，致使地形沿構(gòu)造線方向呈現(xiàn)不規(guī)則的駝峰狀山脊和侵蝕、溶蝕槽谷相間分布，山嶺高聳，溝谷深切的地貌特征；向北西過(guò)王家壩向斜至烏龜山背斜，則呈現(xiàn)為龜背狀起伏的低山、丘陵和溶蝕槽谷及洼地的地貌特征。區(qū)域內(nèi)除缺失泥盆系、石炭系和第三系外，寒武系至第四系均有不同程度的發(fā)育。古生界主要出露于該區(qū)的東部和南部；中生界主要出露于西部及北部向斜核部。南桐礦區(qū)工程地質(zhì)平面圖如圖1所示。

2 擠壓變形區(qū)基本特征

傾斜煤層指傾角在25°～45°，在開采過(guò)程中穩(wěn)定性較差，常出現(xiàn)自動(dòng)滑落現(xiàn)象，對(duì)開采作業(yè)造成一定影響且威脅人員安全。重慶南桐礦區(qū)研究區(qū)內(nèi)煤層傾角為37°，上覆巖層為灰?guī)r和泥巖，在煤層開挖后巖層極易沿順層方向塌落，加大了開采難度、支護(hù)難度且對(duì)支架的穩(wěn)定性有較高的要求。

隨著傾斜煤層開采的持續(xù)進(jìn)行，采動(dòng)影響打破了開采區(qū)的應(yīng)力平衡，重力場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)將重新分布，這時(shí)坡體內(nèi)部將產(chǎn)生附加豎向拉應(yīng)力和附加水平應(yīng)力。巖層向著采空面發(fā)生彎曲變形，隨著變形的持續(xù)增長(zhǎng)，上覆巖層破壞，發(fā)生冒落、裂縫、離層及斷裂，造成的破壞傳遞到地表，使地表原有標(biāo)高受到采動(dòng)影響后下降，采空區(qū)上方地表形成下凹面，最終形成地表移動(dòng)盆地。圖2中2區(qū)域，當(dāng)沉陷盆地重新穩(wěn)定后，采空區(qū)上部巖體主要表現(xiàn)為受壓；圖2中3區(qū)域，邊緣壓縮區(qū)域位于地表沉陷最大值和開采區(qū)邊界之間，該區(qū)域地表移動(dòng)和變形的較為明顯，向地表沉陷最大值中心線傾斜且呈凹形，由于地表沉陷而發(fā)生擠壓變形，該區(qū)域不會(huì)出現(xiàn)地裂縫；圖2中4區(qū)域周圍主要表現(xiàn)為受拉，當(dāng)區(qū)域內(nèi)巖體的抗拉強(qiáng)度小于拉應(yīng)力時(shí)，進(jìn)而產(chǎn)生張拉裂縫，如圖2、圖3所示。

1為邊緣區(qū);2為盆地壓縮區(qū);3為內(nèi)邊緣區(qū);4為外邊緣區(qū);θ1、ψ2為擴(kuò)散角;θ2、ψ1為超充分采動(dòng)角

圖3 走向采煤沉陷區(qū)地表盆地示意圖

3 三維數(shù)值模擬

3.1 參數(shù)選取

各巖層簡(jiǎn)化為5個(gè)傾角為37°的巖層，由上而下分別為灰?guī)r層、泥巖層、灰?guī)r層、煤巖層、灰?guī)r層，煤層開采厚度取2 m。各層巖性物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各巖層物理力學(xué)參數(shù)表

3.2 三維建模

根據(jù)重慶南桐礦業(yè)有限責(zé)任公司南桐煤礦地質(zhì)特征及開采情況建立三維直角坐標(biāo)模型。X軸為傾向方向，傾向長(zhǎng)度為1 000 m，Y軸為走向方向，走向長(zhǎng)度為1 100 m,Z軸方向?yàn)橹亓Ψ较?。開采區(qū)沿傾向分別開采80、160、240 m三種工況，沿走向開采寬度300 m，下山采深385 m，上山采深240 m，煤層傾角37°，煤厚4 m。模擬巖層總厚度500 m，其中采空區(qū)上方巖層厚度為240～385 m。模型上邊界無(wú)約束，下邊界豎直位移約束，水平方向邊界水平位移約束，運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)開采沉陷進(jìn)行模擬，然后根據(jù)不同采動(dòng)寬度建立相應(yīng)的模型進(jìn)行分析。模型如圖4所示。

圖4 FLAC3D計(jì)算模型圖

為研究不同開采深度對(duì)地表變形移動(dòng)的影響，在上述模型基礎(chǔ)上改變開采寬度，分別設(shè)計(jì)了開采寬度分別為80、160、240 m三種工況下的數(shù)值模擬模型。分析在不同采寬條件下地表移動(dòng)變形規(guī)律，以及巖層應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的分布特征。

3.3 結(jié)果分析

圖5為3個(gè)不同開采寬度條件下的開采區(qū)傾向主剖面上Z方向上的應(yīng)力云圖。采區(qū)上方的巖層有卸載效應(yīng)的出現(xiàn)，Z方向上的應(yīng)力值顯著小于周圍巖層的應(yīng)力，采寬80 m時(shí)為-0.09～-2.5 MPa，巖層與煤層的交接處有最大應(yīng)力，為-22.6 MPa，局部出現(xiàn)拉裂縫。采寬160 m時(shí)為-0.07～-2.5 MPa，巖層與煤層的交接處有最大應(yīng)力，約為-23.4 MPa，拉裂縫增多并向巖層深處延伸。采寬240 m時(shí)為-0.1～-5 MPa，巖層與煤層的交接處有最大應(yīng)力，約為-26.1 MPa，巖層內(nèi)部產(chǎn)生了大量裂隙，蔓延范圍一般較大。表明隨著采寬的增加，巖層與煤層交接處的應(yīng)力隨之增加。

圖6為3個(gè)不同開采寬度條件下的開采區(qū)傾向主剖面Z方向上位移云圖。傾向主剖面Z向位移，最大位移主要出現(xiàn)在煤層開采處。當(dāng)采寬為80 m時(shí)，Z向最大位移為2 m；當(dāng)采寬為160 m時(shí)，Z向最大位移為4 m；當(dāng)采寬為240 m時(shí)，Z向最大位移為20 m，此時(shí)采空區(qū)上方巖層破壞掉落，形成塌落帶。

圖5 不同采寬條件下傾向主剖面Z方向上的應(yīng)力云圖

圖6 不同采寬度條件下傾向主剖面Z方向上位移云圖

圖7為3個(gè)不同開采寬度條件下的地表Z向位移云圖。下山方向上的影響范圍比上山方向上的影響范圍更大，最大沉陷值隨著開采寬度的增加而增大。采寬80 m時(shí)，最大沉陷值約為24.5 cm，采寬160 m時(shí)約為69.2 cm，采寬240 m時(shí)約為128.5 cm。

圖7 不同采寬度條件下的地表Z向位移云圖

圖8為 3個(gè)不同開采寬度條件下的傾向主剖面地表X向水平位移曲線圖。最大水平變形值隨著采寬的增加而增大，采寬80、160、240 m下最大正向位移值分別約為48.35、123.3、217.7 mm，最大負(fù)向位移值約為132.3、380.8、658.9 mm。

圖8 各采寬下傾向主剖面地表X向水平位移曲線圖

圖9為不同開采寬度條件下傾向主剖面的地表Z向沉降位移曲線圖。采寬80、160、240 m下的最大沉降值分別約為238.7、692.6、1 285 mm。

圖9 各采寬下傾向主剖面地表沉降位移曲線圖

圖10為不同開采寬度條件下走向主剖面的地表X向水平位移曲線圖。走向上的水平變形曲線成反對(duì)稱狀態(tài)，三種工況下最大正向和負(fù)向位移值分別約為75、225、415 mm。

圖10 各采寬下走向主剖面地表X向水平位移曲線圖

圖11為不同開采寬度條件下走向主剖面的地表Z向沉降位移曲線圖。走向上的地表沉降曲線圖成正對(duì)稱，三種工況下的最大沉降值分別為238.7、692.6、1 194 mm。

圖11 各采寬下走向主剖面地表Z向沉降位移曲線圖

4 結(jié)論

(1)邊緣壓縮區(qū)域位于地表沉陷最大值和開采區(qū)邊界之間，該區(qū)域地表移動(dòng)和變形的較為明顯，向地表沉陷最大值中心線傾斜且呈凹形，由于地表沉陷而發(fā)生擠壓變形，該區(qū)域不會(huì)出現(xiàn)地裂縫。

(2)煤層開挖過(guò)程中，采空區(qū)上方地表形成下凹面，隨著工作面的推進(jìn)沉陷區(qū)域發(fā)生移動(dòng)，沉陷區(qū)域隨著采空區(qū)域的增大而持續(xù)增寬。巖層內(nèi)應(yīng)力重分布形成“應(yīng)力增高區(qū)”和“應(yīng)力減弱區(qū)”。巖層與煤層的交接處有最大應(yīng)力且在附近應(yīng)力變化最為強(qiáng)烈。

(3)不同的開采工況下，擠壓變形區(qū)沉陷位移都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，且位于開采區(qū)下山方向，擠壓變形區(qū)沉陷值受水平應(yīng)力影響較小，走向和傾向方向的沉陷值以該峰值曲線呈中心對(duì)稱。走向上主斷面水平變形具有反對(duì)稱性，不同開采寬度條件下水平方向在采空區(qū)中心上方位移值最小，且為零，水平位移最小值的位置在走向和傾向方向上與開采寬度無(wú)關(guān)，最大值隨著開采寬度的增大而增加。

(4)采寬由80 m增加到160 m時(shí)，煤層與巖層交接處應(yīng)力變化較小，擠壓變形區(qū)地表下沉速度較為緩慢；采寬由160 m增加到240 m時(shí)，煤層與巖層交接處應(yīng)力變化非常顯著，擠壓變形區(qū)地表產(chǎn)生明顯下沉。