不同傾角下急傾斜特厚煤層地表沉降規(guī)律研究

宋帥帥，王宏志

（新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830046）

0 引言

煤炭是我國(guó)的主要能源結(jié)構(gòu)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮重要作用。相對(duì)東部礦區(qū)，西部煤炭資源賦存條件較好，預(yù)測(cè)儲(chǔ)量?jī)扇f(wàn)億噸[1]。煤炭推動(dòng)了我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，隨著工業(yè)革命的爆發(fā)、全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)于煤炭能源需求量也越來(lái)越高，煤炭的大量開(kāi)采導(dǎo)致的一系列環(huán)境地質(zhì)也愈發(fā)明顯。例如：地表沉降、水土流失、地表變形、路面破壞、建筑物的破壞等等一系列的問(wèn)題。在我國(guó)煤炭?jī)?chǔ)量中，急傾斜煤層所占的比例不到5%，但在西北地區(qū)如新疆等一些省份中卻占有相當(dāng)大的比重[2]。急傾斜煤層的形成是初期地殼不均勻沉降、沖蝕作用及后期褶皺和斷裂運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，其地質(zhì)條件是多樣的。烏東煤礦煤層傾角有從45°到90°的各種變化，甚至出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。有薄、中厚、厚及特厚煤層，多數(shù)礦井開(kāi)采煤層群，一般厚度變化較大由于急傾斜煤層普遍角度大于45°，煤層的開(kāi)采會(huì)引起覆巖層的彎曲和破斷，進(jìn)而導(dǎo)致了地表的沉降。隨著采礦事業(yè)的發(fā)展和進(jìn)行，礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)對(duì)于環(huán)境的破壞也越來(lái)越受到重視，目前對(duì)于大傾角厚煤層對(duì)地表沉降的研究在國(guó)內(nèi)也有部分研究。馮國(guó)財(cái)[4]等學(xué)者針對(duì)斷裂活動(dòng)影響礦區(qū)的采煤沉降災(zāi)變問(wèn)題，得出在斷裂活動(dòng)影響范圍內(nèi)地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力會(huì)加劇采煤地表沉降；晁海剛[3]研究了表土層與基巖對(duì)地表沉降的影響規(guī)律，指出基巖是控制地表沉降的主要因素；高均海[5]等對(duì)深部開(kāi)采地表沉降規(guī)律及機(jī)理進(jìn)行了研究，指出深部不充分開(kāi)采情況下，地表下沉值和速率均較小，地表下沉變化不明顯；地表沉降預(yù)計(jì)是采礦界研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一[。近年來(lái)，有人嘗試應(yīng)用非線性科學(xué)理論和方法，如灰色系統(tǒng)理論、分形理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型等[9-10]，對(duì)地表沉降進(jìn)行預(yù)計(jì)。再者西北地區(qū)本身生態(tài)較為脆弱，土地荒漠化、土壤鹽漬化問(wèn)題嚴(yán)重，資源的開(kāi)發(fā)更加劇了這些問(wèn)題的負(fù)面影響。因此本文以新疆準(zhǔn)南煤田烏東煤礦為背景，利用U DEC數(shù)值模擬軟件構(gòu)建數(shù)值模型，通過(guò)對(duì)急傾斜特厚煤層開(kāi)采引起的地表沉降進(jìn)行分析，得出不同傾角下地表沉降的范圍和大小，揭示西北生態(tài)脆弱區(qū)煤炭開(kāi)采地表沉降規(guī)律，為西北急傾斜特厚煤層的大規(guī)模開(kāi)采提供理論依據(jù)。

1 工作面開(kāi)采地質(zhì)條件

準(zhǔn)南煤田烏東礦區(qū)位于烏魯木齊東北部，行政區(qū)屬于烏魯木齊東山區(qū)管轄，處于山前拗陷次級(jí)褶皺八道灣向斜南北兩翼，屬于博格達(dá)北麓的山前丘陵帶，南高北低，井田位于八道灣向斜南翼的含煤地層是中侏羅統(tǒng)的西山窯組，西山窯組地層呈北東-南西向帶狀展布，地層總厚度818.07m。含煤54層，煤層總厚度169.81m，含煤系數(shù)20.76%，經(jīng)編號(hào)的煤層46層，自上而下編號(hào)為B0-B46號(hào)煤層，平均總厚度166.63m，含煤系數(shù)20.37%。其中可采、大部可采煤層25層，為B34、B33、B32、B30、B28-29、B27、B25-26、B21-24、B20、B19、B18、B17、B16、B15、B14、B13、B12、B11、B10、B9、B8、B7、B4-6、B3-4、B1-2號(hào)煤層，平均可采總厚度135.48m。含煤系數(shù)16.56%，其余煤層不可采或零星可采。本次要開(kāi)采的煤層為向斜北翼+575水平45#煤層?xùn)|翼工作面，向斜北翼為一向南東傾斜的單斜構(gòu)造，傾角東緩西陡傾角43°～51°,位于J2x的底部，煤層最大厚度39.45m，最小厚度11.83m，煤層平均厚度28.47m，含夾矸4～11層，夾矸單層厚0.06～2.43m，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為全區(qū)可采的較穩(wěn)定煤層。

2 數(shù)值模型的建立

結(jié)合煤礦實(shí)際情況、工作面條件等，確立建立以35°、45°、60°傾斜角度煤層為數(shù)值模型進(jìn)行研究。本次煤層主要開(kāi)采45#號(hào)煤層，煤層基本頂與直接頂均為粉砂巖，厚度較大，強(qiáng)度高。45#煤層南北走向長(zhǎng)度約為2 540m，采用水平分段技術(shù)開(kāi)采。45#煤層是一組煤層組合密集的復(fù)煤層，煤層厚度最大，夾肝層數(shù)多而厚度不大，不能分層。此次開(kāi)采每個(gè)水平段為20m，開(kāi)采5個(gè)水平分段，共開(kāi)采100m。

1）通過(guò)對(duì)煤礦現(xiàn)場(chǎng)工作面的巖石取樣，將樣品進(jìn)行加壓測(cè)試、運(yùn)用公式計(jì)算得到了各個(gè)巖層和煤層基本的物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

2）模型邊界條件和尺寸。結(jié)合45#煤層的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開(kāi)采條件、煤層的走向長(zhǎng)度和傾向長(zhǎng)度，同時(shí)結(jié)合直接頂、基本頂?shù)暮穸群透鲙r層、煤層的厚度，將模型設(shè)置為長(zhǎng)度500m、高度300m，如下圖1所示。模型設(shè)置為6層地層，采用摩爾庫(kù)倫接觸滑移，左右邊界為約束邊界，下邊界為固定邊界，X，Y方向位移均為0，重力加速度為9.8 m/s2，上部邊界無(wú)荷載。

圖1 數(shù)值模型地層分布圖

3）測(cè)點(diǎn)的布置。在模型地表上布置50個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)間距為10m，測(cè)點(diǎn)用來(lái)監(jiān)測(cè)地表沉降的動(dòng)態(tài)變化。

3 地表沉降規(guī)律研究

3.1 35°煤層開(kāi)采對(duì)地表沉降的動(dòng)態(tài)影響規(guī)律

如圖2（a）所示，當(dāng)35°煤層第一水平分段開(kāi)采時(shí)，煤層頂板開(kāi)始出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，隨著開(kāi)采的進(jìn)行，煤層頂板空間應(yīng)力形成重分布，煤層直接頂垮落到工作面的底板上，繼而基本頂也發(fā)生垮落，上覆巖層形成離層，進(jìn)而發(fā)生破斷，地表出現(xiàn)小型的塌陷坑，塌陷坑的寬度為200m，最大地表下沉值約為7m。

如圖2（b）所示，第二水平分段開(kāi)采時(shí)，上一水平的煤層頂板全部垮落，在采空區(qū)形成了穩(wěn)定的拱形平衡結(jié)構(gòu)。此時(shí)覆巖進(jìn)一步發(fā)生彎曲下沉，隨后發(fā)生破斷，相比于上一分段覆巖的彎曲破斷更加明顯，地表沉降范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，寬度擴(kuò)大到300m左右，地表沉降最大值為9m，地表形成了盆狀漏斗塌陷結(jié)構(gòu)。

圖2 煤層傾角35°時(shí)覆巖垮落圖

如圖2（c）所示第三水平開(kāi)挖時(shí)，拱形平衡結(jié)構(gòu)并沒(méi)有發(fā)生破壞，大量頂板巖層和頂煤垮落在工作面底部上。如圖2（d）、（e）所示，隨著煤層開(kāi)挖完畢地表沉降擴(kuò)大至500m，遍布模型范圍內(nèi)，地表沉降最大值達(dá)到14m，形成了地表沉降盆狀漏斗形沉降。

當(dāng)?shù)谝凰介_(kāi)采完畢時(shí)，地表沉降最大值達(dá)到1.9m，第二水平開(kāi)采完畢地表沉降最大值達(dá)到7.3m，第三水平開(kāi)采完畢時(shí)地表沉降最大值達(dá)到11m，第四水平開(kāi)采完畢地表沉降達(dá)到13m，第五水平煤層開(kāi)采完畢時(shí)地表沉降達(dá)到14m，形成了先快速增長(zhǎng)后緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，符合了大傾角煤層覆巖層垮落和地表沉降規(guī)律。

3.2 45°煤層開(kāi)采對(duì)地表沉降的動(dòng)態(tài)影響規(guī)律

如圖3（a）所示，當(dāng)45°煤層第一水平開(kāi)采時(shí)，原有空間應(yīng)力狀態(tài)變化，煤層頂板開(kāi)始發(fā)生彎曲下沉，直接頂和基本頂進(jìn)而發(fā)生彎曲破斷，上覆巖層出現(xiàn)彎曲下沉，同時(shí)地表開(kāi)始沉降，地表沉降范圍和深度隨著工作面開(kāi)采逐步擴(kuò)大，開(kāi)采完畢時(shí)，煤層頂板全部垮落到底板上。地表最大下沉值達(dá)到2m。當(dāng)煤層開(kāi)采第二水平時(shí)，如圖3（b）所示，煤層頂板進(jìn)一步彎曲下沉，地表沉降范圍和深度逐步擴(kuò)大，上覆巖層裂隙逐漸發(fā)育，覆巖變形加劇，變形幅度逐漸增加。當(dāng)煤層開(kāi)采第三水平時(shí)，如圖3（c）所示，頂板已經(jīng)完全垮落在煤層底板上，裂隙發(fā)育繼續(xù)擴(kuò)大，覆巖變形加劇。當(dāng)煤層開(kāi)采第四水平時(shí)，如圖3（d）所示，地表沉降仍在繼續(xù)發(fā)展，沉降范圍繼續(xù)擴(kuò)大，地表沉降最大值逐步擴(kuò)大，速率變小，此時(shí)覆巖層的變形幅度相比前幾個(gè)水平較為緩慢。當(dāng)煤層第五水平開(kāi)采時(shí)，如圖3（e）所示，地表沉降范圍已經(jīng)大幅度增加，地表沉降最大值也達(dá)到頂峰14m，覆巖不再繼續(xù)發(fā)生明顯的變形。

圖3 煤層傾角45°時(shí)覆巖垮落圖

3.3 60°煤層開(kāi)采對(duì)地表沉降的動(dòng)態(tài)影響規(guī)律

如圖4（a）所示，當(dāng)?shù)谝凰介_(kāi)采時(shí)，煤層直接頂開(kāi)始緩慢下沉，頂煤垂直向下垮落，裂隙逐漸向上發(fā)育，隨后直接頂發(fā)生破斷，基本頂進(jìn)一步彎曲下沉，開(kāi)采完畢后采空區(qū)充滿松散破碎的巖石，進(jìn)一步壓實(shí)；如圖4（b）所示，當(dāng)開(kāi)采第二水平時(shí)，裂隙發(fā)育逐漸向上延伸，裂隙范圍逐步擴(kuò)大，地表沉降增加幅度變大，地表沉降最大值達(dá)到4m，增速較為明顯；當(dāng)?shù)谌介_(kāi)采時(shí)，如圖4（c）所示，上覆巖層彎曲下沉幅度進(jìn)一步擴(kuò)大，采空區(qū)松散破碎巖石持續(xù)壓實(shí)，此時(shí)頂板的垮落對(duì)工作面開(kāi)采的影響較大；當(dāng)?shù)谒乃介_(kāi)采時(shí)，如圖4（d）所示，覆巖變形幅度變小，形成了新的拱形結(jié)構(gòu)支撐著上覆巖層和煤層之間的平衡，相比于前幾個(gè)水平的開(kāi)采，地表沉降幅度呈現(xiàn)緩慢增加趨勢(shì)；當(dāng)?shù)谖逅介_(kāi)采完畢時(shí)，如圖4（e）所示，地表沉降范圍面積達(dá)到最大，遍布整個(gè)模型范圍達(dá)到400m，地表沉降最大值達(dá)到4.2m。

圖4 煤層傾角60°時(shí)覆巖垮落圖

3.4 不同傾角下地表沉降最大值變化規(guī)律

由圖5（a）可知，隨著煤層的開(kāi)采，上覆巖層不斷的彎曲下沉跌落到底板，地表沉降也隨著開(kāi)采變大，塌陷坑逐漸擴(kuò)大。當(dāng)煤層為35°時(shí)地表沉降最大值出現(xiàn)先快速增加后緩慢增加的趨勢(shì)，塌陷范圍擴(kuò)大到地表周?chē)?00m，塌陷深度達(dá)到14m，地表下沉值隨開(kāi)采水平分段的增加而增大，隨著水平分段的開(kāi)采，地表沉降曲線趨于平緩。當(dāng)煤層為45°時(shí)，隨著開(kāi)采進(jìn)行，地表沉降最大值先快速增加后增速緩慢，后期沉降曲線較為平緩，和35°地表沉降類(lèi)似。當(dāng)煤層60°時(shí)，地表沉降最大值為4.2m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于35°、45°煤層地表沉降最大值，地表沉降幅度較小，覆巖變形活動(dòng)幅度較小，沒(méi)有形成完整的塌陷盆地。

圖5 地表沉降最大值對(duì)比圖

由圖（b）可知地表沉降最大值隨著煤層傾角的不斷增大而減小，傾角越大地表沉降越小，下沉值越小，塌陷波及范圍越小。當(dāng)35°、45°、60°時(shí)分別為14、12、4.2m。

4 結(jié)論

1）隨著煤層傾角增大，工作面開(kāi)采引起的地表下沉速度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，地表沉降前期在開(kāi)采影響下快速增加，在開(kāi)采后期隨著工作面的推進(jìn)地表沉降增速逐漸變慢，沉降最大值和沉降范圍增加幅度也逐漸變緩，35°、45°煤層所有水平開(kāi)采完畢時(shí)，地表形成了穩(wěn)定的漏斗盆狀沉降結(jié)構(gòu)，漏斗呈現(xiàn)左邊較為平緩，右側(cè)較為陡，符合大傾角煤層開(kāi)采地表沉降的一般規(guī)律。

2）35°、45°、60°時(shí)地表沉降最大值分別為14、12、4.2m，煤層傾角越大開(kāi)采引起的地表沉降值越小，地表沉降最大值隨著煤層傾角的不斷增大而減小，傾角越大地表沉降最大值越小，塌陷波及范圍越小。

3）經(jīng)過(guò)以上分析，煤層傾角是影響地表沉降的一個(gè)重要因素，角度越小的煤層開(kāi)采引起地表變化就越明顯。由于新疆地區(qū)大多是急傾斜特厚煤層，通過(guò)煤層傾角的確定就可以預(yù)測(cè)地表變形的幅度，同時(shí)對(duì)可能帶來(lái)的危害進(jìn)行防治。