李琛 常貫峰 袁永強(qiáng) 杜錚 趙高明
安徽理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,中國(guó)·安徽 淮南 232001
煤炭資源是中國(guó)的主體能源,社會(huì)的發(fā)展離不開煤炭資源的大力支持,地下煤層開采過程中,隨著工作面的不斷向前推進(jìn),采場(chǎng)直接頂在重力及其上覆巖層的作用下向下移動(dòng)、發(fā)生彎曲,達(dá)到承載力極限后發(fā)生斷裂,直至垮落,并充填采空區(qū),上覆巖層失去支撐便會(huì)向下沉降變形[1-3]。頂板的垮落、覆巖沉降和破壞乃至地表沉陷變形,是一個(gè)開挖、應(yīng)力重分布、變形和破壞的整體全過程;地下開采過程中的采場(chǎng)礦山壓力、上覆巖層運(yùn)動(dòng),直至引起地表沉陷變形,它們之間存在著必然的聯(lián)系,是一個(gè)統(tǒng)一體的變化、運(yùn)動(dòng)過程[4,5]。
為研究燕家河煤礦北擴(kuò)區(qū)地下礦層開采對(duì)地表變形的影響,通過相似模擬試驗(yàn)預(yù)測(cè)2m、4m兩種采高條件下地下煤層開挖引起的地表變形,應(yīng)用Logistic模型擬合了開采后地表變形特征曲線,分析了不同采高條件下地下煤層開采上覆巖移動(dòng)規(guī)律及地表的變形規(guī)律,給出了地表下沉量,從而評(píng)估不同采高條件下地下的煤層開采對(duì)地表建筑物的影響。
中國(guó)陜西燕家河北擴(kuò)區(qū)8煤為區(qū)域內(nèi)主要可采煤層,位于延安組下含煤段下部,下距延安組底界面1.87~19.66m,平均厚度為10m左右;上距5-2煤層29.34~58.51m,平均47.13m。
試驗(yàn)裝置長(zhǎng)3m,寬0.3m,高1.6m,四周用鋼板進(jìn)行圍護(hù)。結(jié)合礦區(qū)實(shí)際情況和模型尺寸,選取幾何相似比為Cι為1∶100,容重相似比Cy為0.6,故應(yīng)力相似比Cσ為0.006,時(shí)間相似比Ct為1∶10。位移觀測(cè)采用拓普康GPT-7500型全站儀和三維靜態(tài)變形測(cè)量系統(tǒng)。
模型構(gòu)建成功后按照煤巖層傾向及垂直方向布置間隔為5cm的網(wǎng)格線,沿網(wǎng)格線傾向方向,每10cm布置一個(gè)位移測(cè)點(diǎn),傾向上的所有測(cè)點(diǎn)為一條測(cè)線,在網(wǎng)格線垂直方向共布置5~7條測(cè)線,如圖1所示。
圖1 試驗(yàn)?zāi)P?/p>
模擬開采過程中,工作面推進(jìn)到30m時(shí),上覆巖層直接頂發(fā)生第一次垮落,工作面推工作面推進(jìn)到160m時(shí),頂板上方100m處發(fā)生明顯的里層裂隙,工作面推進(jìn)到200m時(shí),頂板上方125m處產(chǎn)生離層裂隙,垂直方向上覆巖層未發(fā)生整體冒落。說明采高為2m的煤層開采過程中,上覆巖層整體發(fā)生彎曲下沉,未發(fā)生明顯的破斷冒落現(xiàn)象,巖層之間形成鉸接作用,并支撐上覆頂板;隨著工作面的推進(jìn),采空區(qū)內(nèi)部垮落巖石逐漸被壓實(shí),整齊地排列在采空區(qū)內(nèi),上覆巖層來壓均勻,下沉量不大,對(duì)地面的影響較小。
當(dāng)工作面推進(jìn)到30m時(shí),煤層上覆頂板裂隙擴(kuò)展,當(dāng)工作面推進(jìn)40m時(shí),上覆頂板巖層出現(xiàn)初次垮落,當(dāng)工作面推進(jìn)60m時(shí),頂板再次垮落,跨落長(zhǎng)度為40m左右,頂板上方7m厚的巖石整體破斷垮落。工作面推進(jìn)到200m時(shí),頂板上方145m處產(chǎn)生離層裂隙,垂直方向上覆巖層未發(fā)生整體冒落。開采過程中沒有發(fā)生大范圍的整體式連續(xù)斷裂冒落,垂直方向頂板巖層分層整體發(fā)生彎曲下沉,水平方向冒落巖層相互存在鉸接連接顯現(xiàn)不明顯。
工作面推進(jìn)初期,頂板下沉量較小,開采活動(dòng)對(duì)覆巖運(yùn)動(dòng)的影響剛剛開始,位移變化比較緩和。工作面開挖至60m時(shí),距煤層頂板2m高度層位處,距離開啟眼10~50m之間發(fā)生垮落,最大下沉量約為1.7m。距煤層頂板12m高度處,距離開切眼20~50m之間發(fā)生垮落,頂板下沉位移最大約為0.6m。距煤層頂板22m高度層位處,距開切眼25~50m范圍內(nèi)發(fā)生垮落,下沉量最大為0.3m。而距離煤層頂板較高層位處,沒有發(fā)生明顯垮落,頂板處于彎曲下沉狀態(tài)。距離煤層頂板12m層位處,由于巖層垮落后具有碎脹性,使上覆巖層不能繼續(xù)下移,因此小于2m高度層位處的頂板下沉量。距煤層頂板22m高度層位處,距切口眼15~50m之間發(fā)生垮落,最大約為0.9m。煤層頂板102m及以上高度處下沉量不大,所在巖層處于彎曲下沉的狀態(tài),如圖2所示。
工作面開挖至60m時(shí),距煤層頂板5m高度層位處,距離開啟眼5~50m之間發(fā)生垮落,最大下沉量約為2.8m,距煤層頂板25m高度層位處,距開切眼10~30m范圍內(nèi)發(fā)生垮落,下沉量最大為0.5m。工作面開挖140m時(shí),距煤層頂板5m高度層位處,距切口眼5~135m之間發(fā)生垮落,最大下沉量約3.8m。距離煤層頂板15m層位處,由于巖層垮落后具有碎脹性,使上覆巖層不能繼續(xù)下移,因此小于5m高度層位處的頂板下沉量。距煤層頂板25m高度層位處,距切口眼10~80m之間發(fā)生垮落,最大約為1.5m。距煤層頂板105m及以上高度處下沉量不大,所在巖層處于彎曲下沉的狀態(tài),如圖2所示。
圖2 不同采高條件覆巖結(jié)構(gòu)演變特征
根據(jù)Logistic函數(shù)擬合后的不同測(cè)點(diǎn)位置處的曲線推算出地表下沉量曲線(煤層埋深670 m)如圖3所示。
圖3 地表下沉量預(yù)測(cè)曲線
由圖3可知,采高為4m時(shí)地表下沉量最大,為1.5m左右,地表下沉量最大位置發(fā)生在采空區(qū)中部靠左的位置,距離開切眼85m左右;采高為2m時(shí)地表下沉量最小,為0.2m左右,地表下沉量最大位置發(fā)生在采空區(qū)中部靠左的位置,距離開切眼105m左右。說明開采后頂板是逐漸下沉的,并逐漸波及地表;最大下沉量位置處,采空區(qū)冒落巖層已經(jīng)基本處于壓實(shí)狀態(tài)。
第一,2m和4m采高條件下初次來壓步距基本相同,約為40m;巖層下沉量隨采高的增加而增大,地表影響范圍也有增大的趨勢(shì),說明采高越大對(duì)地表變形的影響越大。
第二,獲得了不同采高條件下地表的變形量。4m采高時(shí),地表下沉量最大,為1.5m左右;2m采高時(shí),煤層開采地表下沉量最小,為0.2m左右。
第三,位于充分采動(dòng)區(qū)內(nèi)的地表變形趨于穩(wěn)定,而地下煤層開采對(duì)地表的影響隨時(shí)間的變化而變化,因此,在開采過程中應(yīng)重點(diǎn)對(duì)采空區(qū)邊緣及非充分采動(dòng)區(qū)內(nèi)的建筑物進(jìn)行觀測(cè)與維護(hù),以減小因地下開采引起的破壞。