巨厚松散層下開采沉陷巖土體移動變形規(guī)律

王永輝, 馮 園, 李蘭蘭

(1.河南省地質(zhì)調(diào)查院，鄭州 450001；2.河南省城市地質(zhì)工程技術(shù)研究中心，鄭州 450001)

松散層指第三紀(jì)、第四紀(jì)以來尚未固結(jié)硬化成巖的疏散沉積層[1]，厚度>100 m可稱巨厚松散層[2]。華中、華東、西北及東北大部分礦區(qū)都被巨厚松散層覆蓋著[3]。巨厚松散層下的開采沉陷問題比一般地質(zhì)采礦條件更加嚴(yán)重，出現(xiàn)地面下沉系數(shù)接近甚至大于1[4]、地面沉陷范圍擴(kuò)展、地表移動劇烈、對土地資源和建(構(gòu))筑物危害大等獨特現(xiàn)象[3]，對沉陷影響區(qū)內(nèi)的居民生命和財產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重威脅。目前，對這一問題的系統(tǒng)性研究仍不多見。因此，對巨厚松散層這種特殊地質(zhì)采礦條件下的開采沉陷巖土體移動變形特征的分析研究具有重要的現(xiàn)實意義。

1 采區(qū)的地質(zhì)采礦條件

研究礦區(qū)的煤層緩傾、開采厚度大、上覆松散層超過100 m，是石炭系—二疊系煤層的典型代表。534E工作面(圖1)位于該煤礦一采區(qū)，走向長壁后退式采煤，炮采工藝，垮落法頂板管理。

研究區(qū)屬華北型含煤巖系，地層自上而下分別為：第四系，覆蓋全區(qū)，上部棕黃色黏土、砂質(zhì)黏土與黏土質(zhì)砂、砂等相間成層；中部由黃色黏土、砂質(zhì)黏土及黏土質(zhì)砂組成，以黏土為主；下部由灰白色黏土質(zhì)中、粗砂及砂礫石互層。侏羅系，上部灰綠色粉砂巖為主，夾細(xì)砂巖；下部紅色粗、中、細(xì)粒砂巖。二疊系，上部為下石盒子組(P1x)泥巖；下部為山西組(P1s)灰白色砂巖，為該礦區(qū)主要煤系地層，3#煤層厚度在8.8 m左右，穩(wěn)定可采。石炭系，上部為太原組(C3t)灰色砂巖、細(xì)砂巖，礦區(qū)主要煤系地層之一；下部本溪組(C2b)石灰?guī)r夾鋁質(zhì)泥巖及鋁土巖。奧陶系，煤系地層基底，上部馬家溝組(O1m)褐灰色厚層狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r；下部冶里組(O1y)灰白色白云質(zhì)灰?guī)r(圖2)。

2 地表沉陷變形規(guī)律

2.1 概率積分法

概率積分法是一種介于經(jīng)驗方法和理論方法之間的一種預(yù)測方法[1]。評價地表巖土體移動變形狀態(tài)主要有5個常用指標(biāo)：下沉、曲率、傾斜、水平變形和水平移動等[5]。大量實踐應(yīng)用表明，該方法對地表沉陷變形進(jìn)行預(yù)測分析時，計算結(jié)果較為接近實際值[6]，是目前煤礦開采沉陷地表變形計算中應(yīng)用最多的方法之一[7]。

2.2 預(yù)測模型

運用疊加原理，建立采空區(qū)走向、傾向主斷面及平面任意點的數(shù)學(xué)模型。

a.采區(qū)走向主斷面模型(圖3)如下

(1)

b.采區(qū)傾向主斷面模型(圖4)如下

(2)

式中：W0(x)、i0(x)、K0(x)、U0(x)、ζ0(x)分別表示走向主斷面x處沉陷、傾斜、曲率、水平移動、水平變形值；W0(y)、i0(y)、K0(y)、U0(y)、ζ0(y)分別表示傾向主斷面上y處沉陷、傾斜、曲率、水平移動、水平變形值；erf為高斯誤差函數(shù)；α為煤層傾角；W0為充分采動時的地表最大沉陷值，W0=Mqcosα；M為煤層可采厚度；q為下沉系數(shù)；r為煤層主要影響半徑；b為水平移動系數(shù)；θ0為開采影響傳播角；Cxm、Cym分別為走向、傾向采動程度系數(shù)；t1、t2分別為下山、上山邊界相應(yīng)參數(shù)r1、b1和r2、b2；l為走向計算長度，l=D3-S3-S4；D3為工作面走向長度；S3為走向左拐點偏距；S4為走向右拐點偏距；L為傾向計算長度；D1為工作面傾向長度；S1、S2分別為走向的下山、上山邊界拐點偏距。

c.沉陷范圍內(nèi)地面任意點(x,y)移動變形預(yù)測數(shù)學(xué)模型如下

(3)

式中：W0′(x)為傾向充分采動時走向主斷面的下沉值；W0′(y)為走向充分采動時傾向主斷面的下沉值；i0′、K0′、U0′、ξ0′分別為傾向(走向)達(dá)到充分采動時，走向(傾向)主斷面上的傾斜、曲率、水平移動、水平變形值；φ為從橫坐標(biāo)x方向逆時針旋轉(zhuǎn)到待求方向的角度；C(x)、C(y)分別為主斷面下沉分布系數(shù)。

2.3 概率積分法模型修正

巨厚松散層相比基巖屬于典型的軟弱層，二者物理力學(xué)性質(zhì)相差巨大，所以，將534E工作面的工程地質(zhì)模型修正為雙層模型，即上部松散層，下部基巖層(圖5)。在以往的大多數(shù)研究中，所采用的是綜合角量參數(shù)，未對基巖和松散層各自的角量參數(shù)進(jìn)行區(qū)分，其預(yù)測結(jié)果與實際有一定的偏差[8]。本文對概率積分法的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了修正，基巖層和松散層具有各自的角量參數(shù)(圖6)。

修正后的影響半徑的計算

(4)

(5)

式中：δ0為基巖走向邊界角；φ為松散層移動角。

2.4 概率積分法預(yù)測參數(shù)

概率積分法中參與計算地表沉陷變形的主要有6個參數(shù)：下沉系數(shù)q、水平移動系數(shù)b、主要影響角正切tanβ、開采影響傳播角θ0、采動程度系數(shù)C和拐點偏距S等[7]。

a.下沉系數(shù)q的大小受地質(zhì)因素和采礦因素的綜合影響。從宏觀上，巖體硬度越大，q值越??；但二者之間的定量關(guān)系及其他因素的影響，還處于研究階段[9]。

b.水平移動系數(shù)b的取值與礦區(qū)具體的地質(zhì)采礦條件相關(guān)，包括：松散層厚度、采深、巖層傾角等因素[10]。松散層本身具有流變特性，使得水平移動系數(shù)增大。

c.主要影響半徑r與主要影響角正切tanβ。

在修正模型中，tanβ是分配到各層中的開采深度與模型分層中的主要影響半徑r的比值。tanβ的值主要受巖性的影響，對采深的變化反應(yīng)不明顯[1]。求取rN時，巖性越硬，tanβ越小，r就越大。

d.開采影響傳播角θ0主要與巖性、煤層傾角有關(guān)。與傾角的關(guān)系為[6]

θ0=90°-kα

(6)

式中：k值與巖性有關(guān)，覆巖越堅硬k值越大，軟弱巖層取0.5～0.6，經(jīng)計算可得開采影響傳播角θ0=87°。

e.拐點偏移距S產(chǎn)生的原因是采空區(qū)邊界附近的覆巖受煤柱的支撐，起到了“懸臂梁”的作用，使得計算邊界和開采邊界之間產(chǎn)生了一定相隔距離。拐點偏移距的大小主要受開采深度、采動程度、頂板控制方法及巖性的影響[11]。

f.采動程度系數(shù)Cxm和Cym最大下沉值點坐標(biāo)可用(7)式來計算[1]

(7)

式中D1=129 m，得ym=42.5 m，計算可得W0(ym)=3 323 mm，地表最大沉陷值在充分采動時W0=8 184 mm，傾向采動系數(shù)Cym=0.41。走向若為有限開采，最大沉陷點坐標(biāo)在l/2，走向主斷面模型中計算W0(l/2)=8 154 mm，則Cxm≈1.0。

此次預(yù)測使用的參數(shù)是對鮑店1308觀測站的數(shù)據(jù)基于最小二乘原理進(jìn)行擬合得到的(表1)。

表1 概率積分法預(yù)測模型實測參數(shù)Table 1 Measured parameters by probabilistic integration method prediction model

2.5 地表沉陷分布規(guī)律預(yù)測

2.5.1 建立坐標(biāo)系

根據(jù)前述各項參數(shù)建立沉陷區(qū)地表的xoy直角坐標(biāo)系如圖7所示。

2.5.2 主斷面移動變形分析

基于修正的預(yù)測模型(1)式、(2)式得到534E工作面開采后走向及傾向主斷面上各點移動變形值。下面就下沉、地表移動和地表變形等主要指標(biāo)進(jìn)行分析。

a.下沉分析

在走向上，采動系數(shù)達(dá)到1，在M點附近出現(xiàn)一段平底，移動盆地略顯盆形(圖8)；在傾向上，由于遠(yuǎn)未達(dá)到充分采動，移動盆地呈尖底(圖9)。

b.水平移動分析

在水平移動預(yù)測曲線上(圖10)，水平移動值在下山拐點O1(1 791 mm)和上山拐點O2(-1 467 mm)達(dá)到了最大值，所有點的水平移動均指向沉陷中心點。

如圖11所示，由于巖層傾角的影響，雙層介質(zhì)的運動形式略有差異。基巖的移動Sj指向煤層法向，其水平移動全部指向上山方向；松散層的水平移動指向沉陷中心，在下山方向，基巖和松散層水平移動的方向一致，地表點的水平移動值為二者疊加；在上山方向，二者水平移動方向相反，地表點的水平移動值為二者之差，所以上山的水平移動小于下山。這種影響會隨著煤層傾角的增大而增大、松散層厚度的增大而減小。

如圖12所示，在移動盆地的邊緣，下沉值(實線)小于水平移動值(虛線)，使得水平移動的范圍大于沉陷的范圍，這也造成了移動盆地的擴(kuò)展。

c.水平變形分析

圖13中，下山點A至拐點O1水平變形大于0，地表呈拉伸狀態(tài)，受雙向拉應(yīng)力影響，在地面容易產(chǎn)生拉裂縫；從拐點至最大下沉點水平變形小于0，地表呈壓縮狀態(tài)，受雙向壓應(yīng)力影響，先前出現(xiàn)的拉張裂縫會不同程度閉合。

2.5.3 地表移動變形分析

通過修正的模型(3)式，得到沉陷區(qū)內(nèi)地表任一點的下沉值W(x,y)。以10 mm的下沉值作為地表移動盆地起始點，描繪地表下沉等值線圖(圖14)。

從圖14可以看出沉陷盆地以采空區(qū)為軸具有良好的對稱性。巨厚松散層的邊界角和移動角較小，影響半徑較大；同時，因松散層具有流變性，在下沉的同時又以水平流動的形式填充下部的沉陷空間，水平移動系數(shù)較大，使得地表移動盆地邊緣收斂緩慢，范圍遠(yuǎn)超采空區(qū)的范圍。松散層較軟，下沉?xí)r不出現(xiàn)層離裂縫，呈整體性下沉，在壓應(yīng)力、導(dǎo)水裂隙及抽水等因素的綜合影響下，黏土層失水壓縮固結(jié)，使下沉系數(shù)和下沉量都較大。

3 地下巖土體移動變形數(shù)值模擬

地下巖土體變形移動是開采沉陷問題的核心，是地面沉陷的原因。

3.1 FLAC3D數(shù)值模型

以巨厚松散層為重點，對砂礫石、黏土、砂土和基巖進(jìn)行性質(zhì)區(qū)分，對薄且無控制作用的巖層進(jìn)行有效合并，共劃分了48 000個單元，52 173個節(jié)點。確定模型邊界條件：①模型四周邊界施加水平約束，水平位移為0，xdisp=ydisp=0；②模型底部邊界固定，無垂直和水平位移，即zdisp=0；③頂部按照實際情況，無約束，即為自由邊界。由于巖體和松散層屬于彈塑性地質(zhì)體，經(jīng)歷彈性變形達(dá)到屈服極限后會產(chǎn)生較大的塑性流動變形，故選擇莫爾-庫倫塑性模型。

3.2 巖體力學(xué)參數(shù)的選取

參數(shù)的選取至關(guān)重要，所需的參數(shù)包括[12]：密度、體積模量、剪切模量、內(nèi)聚力、摩擦角和抗拉強(qiáng)度。第四系和煤層的各項物理-力學(xué)參數(shù)來自現(xiàn)場取樣的測試結(jié)果；上覆巖層的各項參數(shù)中，根據(jù)實測的抗壓強(qiáng)度，按照經(jīng)驗關(guān)系來求取抗拉強(qiáng)度[13]；參照該煤礦以西4 km的楊村礦區(qū)實測的巖層物理-力學(xué)參數(shù)，同時結(jié)合礦區(qū)地表移動變形的實測數(shù)據(jù)對參數(shù)進(jìn)行一定的修正，確定的參數(shù)如表2所示。

表2 模型物理-力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical-mechanical parameters used in model

3.3 模擬結(jié)果分析

應(yīng)力-應(yīng)變平衡之后地表最大沉陷量3.26 m，沉陷范圍沿采空區(qū)呈橢圓形向外擴(kuò)散，沉陷主要集中在采空區(qū)上方，這與概率積分法的計算結(jié)果基本吻合(圖15)。最大水平移動量發(fā)生在采空區(qū)邊界附近，即概率積分法中的計算邊界(圖16)，驗證了此前關(guān)于地表移動變形規(guī)律的分析。

從圖17、圖18可以看出，巖土體移動變形從采空區(qū)附近的基巖至地表遵循先減小再增大、再減小的規(guī)律，這主要取決于巖土體的性質(zhì)。根據(jù)關(guān)鍵層理論，煤層上覆的砂巖層在沉陷變形過程

中起控制作用，松散層相當(dāng)于砂巖層上的荷載。由于砂巖層厚度較小，力學(xué)性質(zhì)較差，在上覆巨厚松散層的垂向壓力和自重應(yīng)力下，發(fā)生垮落沉陷，過程中伴有一定的碎脹性和剪脹性，部分采空區(qū)被填充，從采空區(qū)至基巖上表面，最大下沉值會呈現(xiàn)減小的趨勢。

礫石層中，下伏基巖移動變形造成的擾動使礫石顆粒之間的空隙迅速增大，沉降量大幅減小；黏土層中，下伏基巖和礫石在移動變形后具有良好的導(dǎo)水性，黏土層失水固結(jié)，且黏土層厚度較大，固結(jié)沉降量較大，完全抵消了基巖和礫石層沉降的減小的量；砂土層中，巨厚松散層的緩沖作用開始顯現(xiàn)，砂土層移動過程中變得疏松，地表沉陷量略有減小。整體而言，基巖上表面至松散層表面最大下沉值呈增大的趨勢，局部會因為剪脹作用有減小趨勢。

松散層中某點的變形量包括基巖下沉引起的土體塌陷、應(yīng)力集中造成的剪脹變形和剪縮變形、含水層失水造成的黏土層主固結(jié)沉降以及土體內(nèi)附加應(yīng)力產(chǎn)生的次固結(jié)沉降。固結(jié)沉降遠(yuǎn)大于剪脹變形，所以，地表的沉陷量大于基巖的沉陷量。

4 地表沉陷實測分析

在該煤礦1#采區(qū)閉坑后，對地表塌陷區(qū)進(jìn)行了1∶1000的地形測繪和沉降監(jiān)測工作，實測沉陷值和地裂縫分布如圖19所示。同時，通過與20世紀(jì)60年代煤礦開采前的地形圖對比，確定該區(qū)域內(nèi)原始地面海拔高度為40.0 m。

沉陷區(qū)東部正處于剛剛放頂之后，地表處于持續(xù)沉陷過程中，受拉應(yīng)力影響地表遍布地裂縫。在1#采區(qū)的中部和西部，屬早期開采沉陷區(qū)域，地表已基本穩(wěn)沉，由圖可見，沉陷等值線分布也與前述預(yù)測結(jié)果基本吻合。地表最大沉陷值>8.0 m，<8.5 m，這與解析法分析充分采動情況下的傾向和走向最大沉陷值(W0=8 184 mm，W0(l/2)=8 154 mm)是基本一致的。由此可見，解析法建立的雙層預(yù)測模型和選取的參數(shù)是正確的，預(yù)測結(jié)果是可信的?；诮馕龇ㄎ锢砟Ｐ徒⒌臄?shù)值分析模型，在對松散地層進(jìn)行了進(jìn)一步細(xì)分的基礎(chǔ)上，結(jié)合實測的物理、力學(xué)參數(shù)，對各類巖土體沉陷過程中移動變形規(guī)律的分析也是可信的。

5 結(jié) 論

巨厚松散層的沉陷特征明顯有別于一般地質(zhì)采礦條件。移動盆地具有良好的對稱性。下沉系數(shù)、最大下沉值、水平移動系數(shù)、水平移動值和沉陷盆地的范圍都比一般地質(zhì)采礦條件要大，盆地邊緣的水平移動值大于下沉值。而黏土層的壓縮固結(jié)是造成沉降量增大的根本原因。在沉陷過程中，松散層同時扮演著荷載、固結(jié)沉降和緩沖系統(tǒng)的三重角色。這些特殊的移動變形規(guī)律取決于巨厚松散層顆粒疏散及富含地下水。