巨厚松散層下綜采工作面地表沉陷規(guī)律及其采厚效應(yīng)

李開鑫, 柳昌濤, 王昊楠

(1.山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590)

煤炭資源對(duì)我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，大量的煤炭從地下采出形成大范圍的采空區(qū)，導(dǎo)致原始的力學(xué)平衡狀態(tài)被打破，致使上覆巖層產(chǎn)生破斷、垮落和彎曲，由下而上傳遞至地表，導(dǎo)致地表的移動(dòng)與沉陷[1]。大量現(xiàn)場實(shí)測與理論研究表明[2-4]：巨厚松散層下開采引起的地表沉陷規(guī)律與一般地質(zhì)條件有所差異，主要表現(xiàn)為下沉系數(shù)偏大，開采損害加劇等。在厚松散層地表下沉規(guī)律的研究方面，王金莊等[5-6]對(duì)厚松散層條件下開采沉陷規(guī)律進(jìn)行研究，并得出了一些有益的結(jié)論；譚志祥等[7]通過對(duì)觀測資料的分析研究，獲得了高強(qiáng)度綜放工作面開采時(shí)的地表移動(dòng)變形規(guī)律、各種角值參數(shù)和預(yù)計(jì)參數(shù)；劉義新等[8]通過數(shù)值模擬研究表明松散層為有流變性的松散介質(zhì)，巨厚松散層下深部寬條帶開采時(shí)地表不易形成波浪型下沉盆地；郭文兵等[9]基于現(xiàn)場實(shí)測資料研究了厚濕陷黃土層條件下開采地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)特征，提出了超前裂縫角及超前裂縫距的概念，對(duì)地表裂縫特征進(jìn)行進(jìn)一步的分析；王啟春等[10]分析研究了厚松散層下矸石充填開采地表移動(dòng)規(guī)律；張文泉等[11]基于FLAC3D建立三維數(shù)值模型，采用正交實(shí)驗(yàn)法對(duì)采出率、采寬、基巖厚度、松散層厚度及采厚等5個(gè)因素進(jìn)行重要性排序，并通過回歸分析得到地表最大下沉值及下沉系數(shù)與各因素的綜合函數(shù)表達(dá)式；趙高博等[12]采用三維數(shù)值模擬對(duì)覆巖破壞特征及地表沉降規(guī)律進(jìn)行了綜合分析，并用概率積分法和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。筆者在前人研究的基礎(chǔ)之上，通過在彭莊煤礦建立地表移動(dòng)觀測站獲取實(shí)測數(shù)據(jù)，分析了在非充分采動(dòng)條件下，巨厚松散層下開采地表下沉盆地的發(fā)育情況及地表移動(dòng)動(dòng)態(tài)參數(shù)特征，在此基礎(chǔ)之上依托FLAC3D數(shù)值模擬分析了充分采動(dòng)下地表下沉及移動(dòng)變形情況，并進(jìn)一步研究了巨厚松散層下開采地表沉陷的采厚效應(yīng)，為今后類似地質(zhì)采礦條件下開采對(duì)地表建筑物的保護(hù)提供理論參考。

1 地質(zhì)采礦條件

彭莊煤礦位于山東省西南部，南距嘉祥縣城32 km，西距鄆城縣14 km，行政區(qū)劃屬菏澤市鄆城縣及濟(jì)寧市嘉祥縣管轄，大部分在鄆城縣境內(nèi)。彭莊井田位于巨野煤田東北部，是巨野煤田規(guī)劃建設(shè)的7個(gè)井田之一，其西與郭屯井田、鄆城井田相鄰，其東部為梁寶寺井田，該井田屬于第四系全覆蓋區(qū)，含煤地層為下二迭統(tǒng)山西組和上石炭統(tǒng)太原組。該礦1301工作面為首采工作面，傾向長150 m，走向長1 350 m，煤層平均厚2.66 m，煤層傾角3°～6°，煤層結(jié)構(gòu)較為簡單，平均埋深為450 m，第四系松散層厚度約為350 m，屬于巨厚松散層條件下開采的工作面，工作面采用傾斜長壁綜采放頂煤方式開采，全部垮落法管理頂板。

2 地表觀測站布置

地表移動(dòng)觀測站設(shè)立于彭莊煤礦1301工作面的正上方，測區(qū)內(nèi)地表基本平坦，地面標(biāo)高在41 m左右。1301工作面是該礦的第一個(gè)工作面，為了充分反映地表移動(dòng)與變形規(guī)律，沿礦體走向和傾向主斷面布設(shè)了兩條觀測線，觀測線均足夠長，但走向觀測線南段由于受村莊影響，部分點(diǎn)位偏離主斷面，并且觀測點(diǎn)位沒有超出影響范圍。走向觀測線共設(shè)測點(diǎn)57個(gè)，編號(hào)順序?yàn)閆1～Z57，傾向觀測線共設(shè)測點(diǎn)35個(gè)，編號(hào)順序?yàn)镠1～H35，測點(diǎn)及觀測線與工作面的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 地表移動(dòng)觀測站布設(shè)示意圖

3 地表移動(dòng)變形特征與規(guī)律分析

3.1 地表沉陷盆地特征分析

為全面了解地表下沉及移動(dòng)的全過程，自地表觀測站設(shè)站以來，共進(jìn)行了17次水準(zhǔn)測量、3次全面觀測。1301工作面地表移動(dòng)觀測站不同時(shí)期下沉曲線及水平移動(dòng)曲線如圖2、圖3所示,整個(gè)沉降過程中未有突變現(xiàn)象，下沉盆地形似鍋形。由于工作面回采范圍的限制，地表未出現(xiàn)平底現(xiàn)象，即開采未達(dá)到充分采動(dòng)，但在走向觀測線方向略顯出平底現(xiàn)象。最終下沉盆地最大下沉值為609 mm，最大水平移動(dòng)值為220 mm，將開采引起的地表移動(dòng)變形觀測結(jié)果作為已知條件，利用概率積分法通過對(duì)實(shí)測資料的曲線擬合，求取得到適用于該地質(zhì)采礦技術(shù)條件下充分采動(dòng)時(shí)計(jì)算參數(shù)為：下沉系數(shù)q0=0.90，水平移動(dòng)系數(shù)b0=0.25，主要影響角正切tanβ0=1.6。與一般的地質(zhì)采礦條件相比，巨厚松散層下開采地表下沉系數(shù)明顯增大，其原因在于松散層無承載力，基巖在巨厚松散層提供的巨大載荷及自重影響下，容易發(fā)生移動(dòng)變形或破斷，導(dǎo)致下沉量的增大；因松散層具有流變特性，地表移動(dòng)變形的影響范圍也同樣較大。

圖2 地表下沉曲線

圖3 水平移動(dòng)曲線

3.2 地表移動(dòng)動(dòng)態(tài)參數(shù)特征分析

在回采工作面推進(jìn)過程中，工作面前方的地表受采動(dòng)影響而下沉，此現(xiàn)象稱為超前影響，通常用超前影響距和超前影響角表示。通過對(duì)1301工作面推進(jìn)過程中的地表移動(dòng)變形觀測發(fā)現(xiàn)，2007年1月20日觀測的回采工作面前方Z28號(hào)測點(diǎn)下沉15 mm，Z27號(hào)測點(diǎn)下沉8 mm，此時(shí)的超前影響距為292.107 m；2007年2月6日觀測的回采工作面前方Z27號(hào)測點(diǎn)下沉15 mm，H19號(hào)測點(diǎn)下沉8 mm，此時(shí)的超前影響距約為286.494 m；2007年3月20日觀測的回采工作面前方Z25號(hào)測點(diǎn)下沉11 mm，Z24號(hào)測點(diǎn)下沉7 mm，分析可得，此時(shí)的超前影響距約為291.776 m。由此可計(jì)算得出，1301工作面開采后的最大超前影響距離為290 m，是平均采深的0.6倍，超前影響角為57.17°左右。

當(dāng)?shù)乇磉_(dá)到充分采動(dòng)后，在地表下沉速度曲線上，最大下沉速度總是滯后于回采工作面一個(gè)固定的距離，這個(gè)固定距離稱為最大下沉速度滯后距，這種現(xiàn)象稱為最大下沉速度滯后。地表最大下沉速度點(diǎn)與相應(yīng)的回采工作面連線和煤層在采空區(qū)一側(cè)的夾角稱為最大下沉速度滯后角。由于1301工作面受開采范圍的限制，沒有達(dá)到充分采動(dòng)，故以非充分采動(dòng)時(shí)，具有最大下沉速度的點(diǎn)與回采工作面的距離和角度來代替最大下沉速度滯后距和最大下沉速度滯后角。根據(jù)各次監(jiān)測和觀測結(jié)果的分析計(jì)算，1301工作面開采后，于2007年5月22日的觀測值與上期的觀測值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，H19號(hào)測點(diǎn)具有最大下沉速度，最大下沉速度為11 mm/d，如圖4所示，此時(shí)，1301工作面的推進(jìn)位置超前于測點(diǎn)的水平距離為115 m，即最大下沉速度滯后距為115 m，約為平均開采深度的0.26倍，最大下沉速度滯后角為75.62°。

圖4 H19號(hào)測點(diǎn)在整個(gè)移動(dòng)過程中的下沉速度變化

4 數(shù)值模擬

由于1301回采工作面開采的煤層傾角小，近似為水平煤層，同時(shí)，開采區(qū)域未達(dá)到充分采動(dòng)，因此通過對(duì)實(shí)測資料進(jìn)行綜合整理分析，利用FLAC3D數(shù)值模擬方法，來確定1301回采工作面開采引起的地表移動(dòng)變形在充分采動(dòng)條件下的情況，并進(jìn)一步分析不同開采厚度條件下的地表下沉及水平移動(dòng)。

4.1 數(shù)值模擬設(shè)計(jì)

以彭莊煤礦1301工作面為研究對(duì)象，結(jié)合已收集到的地質(zhì)資料及觀測站實(shí)測資料，運(yùn)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)不同采厚地表下沉及水平移動(dòng)情況進(jìn)行分析，各巖層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。模型以煤層走向?yàn)閤軸，傾向?yàn)閥軸，重力方向?yàn)閦軸，走向長度為1 350 m，傾向長度為150 m。為了防止邊界效應(yīng)對(duì)模擬結(jié)果的影響，沿著工作面走向方向、傾向方向分別向外擴(kuò)展200 m，建立模型圖如圖5所示。模型底部和四周邊界均固定位移，模型上邊界自由，本構(gòu)模型選擇摩爾-庫倫模型。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)表

圖5 數(shù)值計(jì)算模型

本次數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)五個(gè)方案，模擬采厚分別為2.6 m、3.6 m、4.6 m、5.6 m、6.6 m，為使各方案模擬結(jié)果具有可比性，各模擬方案的邊界條件、巖層參數(shù)等其它條件均保持一致。

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

不同開采厚度數(shù)值模擬結(jié)果如表2所示，從模擬結(jié)果可以看出，在巨厚松散層地質(zhì)采礦條件下，隨著開采厚度的增加，地表下沉幅度和下沉影響范圍呈明顯增大的趨勢(shì)，開采厚度由2.6 m逐步增大到6.6 m時(shí)，下沉系數(shù)由0.64變成0.95，增加了48%。同時(shí)，地表水平位移也隨采厚增加而增大，但采厚在4 m以下時(shí)，水平移動(dòng)變形量的增幅較緩，從采厚4.6 m開始時(shí)，水平位移量漲幅較大，當(dāng)采厚為6.6 m時(shí)，水平位移量達(dá)到最大(2.006 m)，如圖6所示。隨著開采厚度的增大，上覆巖層破斷后回轉(zhuǎn)及下沉空間越大，更容易發(fā)生變形和破斷，并且上覆巨厚松散層的強(qiáng)度較低且?guī)缀鯚o承載力，只能作為載荷作用在基巖上，上覆巖層垮落填充采空區(qū)，采動(dòng)影響傳播到地表，因松散層本身具有流變性的松散介質(zhì)對(duì)下部巖層的破斷垮落更加敏感，導(dǎo)致地表下沉及水平移動(dòng)值逐漸增大，地表沉陷的范圍也逐步向外擴(kuò)張。

圖6 采厚與地表變形關(guān)系圖

表2 不同開采厚度數(shù)值模擬結(jié)果

基于數(shù)值模擬的結(jié)果，利用MATLAB回歸分析擬合出地表最大下沉值Wmax、下沉系數(shù)q、最大水平移動(dòng)值Umax及水平移動(dòng)系數(shù)b與采厚m的函數(shù)表達(dá)式：

Wmax=34.86m2+856.5m-848.1

(1)

(R-square=0.998 1)

q=-8.571×10-3m2+0.161m+0.271

(2)

(R-square=0.988)

Umax=71.86m2-220.7m+334.9

(3)

(R-square=0.999 3)

b=5×10-3m2-5×10-3m+0.137

(4)

(R-square=0.997 7)

5 結(jié) 論

(1)基于巨厚松散層下地表移動(dòng)觀測站實(shí)測數(shù)據(jù)，分析可得彭莊煤礦1301工作面在非充分采動(dòng)條件下地表沉陷盆地特征及地表移動(dòng)動(dòng)態(tài)參數(shù)特征，并利用概率積分法求得充分采動(dòng)時(shí)的計(jì)算參數(shù)，可知,在巨厚松散層開采條件下，地表下沉系數(shù)與地表移動(dòng)變形影響范圍都相對(duì)較大；

(2)借助FLAC3D數(shù)值模擬分析，并利用MATLAB回歸分析擬合出地表最大下沉值Wmax、下沉系數(shù)q、最大水平移動(dòng)值Umax及水平移動(dòng)系數(shù)b與采厚m的函數(shù)表達(dá)式，可知，在巨厚松散層地質(zhì)采礦條件下，隨著開采厚度的增加，地表下沉幅度呈明顯加大的趨勢(shì)。