不同采高條件下地表變形預(yù)測的試驗(yàn)研究

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·安徽 淮南 232001

1 引言

煤炭資源是中國的主體能源，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。

2 開采沉陷相似模擬試驗(yàn)

2.1 地質(zhì)條件

中國陜西燕家河北擴(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。

2.2 試驗(yàn)方案與制作

試驗(yàn)裝置長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。位移觀測采用拓普康GPT-7500型全站儀和三維靜態(tài)變形測量系統(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)位移測點(diǎn)，傾向上的所有測點(diǎn)為一條測線，在網(wǎng)格線垂直方向共布置5～7條測線，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

3 覆巖結(jié)構(gòu)演變特征

3.1 采高2m時(shí)覆巖結(jié)構(gòu)演變規(guī)律

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。

3.2 采高4m時(shí)覆巖結(jié)構(gòu)演變規(guī)律

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。

4 覆巖位移演變特征

4.1 采高2m時(shí)覆巖下沉量演變規(guī)律

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。

4.2 采高4 m時(shí)覆巖下沉量演變規(guī)律

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

5 地表變形預(yù)測與分析

根據(jù)Logistic函數(shù)擬合后的不同測點(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)。

6 結(jié)語

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)行觀測與維護(hù)，以減小因地下開采引起的破壞。