大柳塔煤礦地表沉陷移動(dòng)變形規(guī)律研究

孫祺鈺，呂英華，陳明浩，于永寧，陶亞飛，高 森

（1.國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)公司，陜西神木 719315；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083）

長(zhǎng)期以來(lái)煤炭是我國(guó)主要的基礎(chǔ)能源，隨著煤炭開(kāi)采戰(zhàn)略西遷，西部礦區(qū)已作為了我國(guó)煤炭主要開(kāi)采區(qū)，而西部礦區(qū)是淺埋大采高開(kāi)采，造成地表破環(huán)嚴(yán)重，直接導(dǎo)致西部礦區(qū)地表生態(tài)破壞，造成了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的損失，制約了煤炭持續(xù)化綠色開(kāi)采，因此研究該區(qū)域覆巖移動(dòng)規(guī)律及地表生態(tài)保護(hù)方法具有重要意義。

對(duì)于覆巖移動(dòng)及地表沉陷研究，諸多學(xué)者開(kāi)展了大量的工作研究。戴華陽(yáng)等[1]總結(jié)了巖層與地表變形時(shí)空關(guān)系，提出了開(kāi)采沉陷的動(dòng)態(tài)地表移動(dòng)變形描述方法；申濤等[2]以陜北礦區(qū)為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析黃土層、中等偏硬基巖在回采情況下地表移動(dòng)規(guī)律：李春義等[3]對(duì)厚黃土層地表移動(dòng)構(gòu)建了地表下沉和水平移動(dòng)擬合函數(shù)模型;黃飛等[4]通過(guò)對(duì)龍灘礦工作面地表觀(guān)測(cè)站數(shù)據(jù)整理，分析了工作面開(kāi)采地表沉陷動(dòng)態(tài)變化特征；唐君等[5]通過(guò)對(duì)礦區(qū)地表測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)整理，分析了薄沖積層綜放開(kāi)采地表移動(dòng)變形規(guī)律；白光宇等[6]通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)研究了山區(qū)開(kāi)采下地表沉陷移動(dòng)變形規(guī)律；楊帆等[7]通過(guò)數(shù)值模擬分析了采動(dòng)地表裂縫形成機(jī)理；孫慶先等[8]在淺埋煤層綜采（綜放）的條件下，對(duì)煤層采出后的地表移動(dòng)變形進(jìn)行了研究，分析并得出了在煤層埋深較淺且采用綜采（綜放）的采煤工藝的條件下，地表發(fā)生移動(dòng)變形的機(jī)理；王金莊等[9]通過(guò)對(duì)厚松散層煤層條件下，由于煤層開(kāi)采所引起的地表移動(dòng)下沉現(xiàn)象進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論分析，得出了斷裂臨界的開(kāi)采寬度和充分臨界開(kāi)采寬度的計(jì)算公式；郭文兵、朱慶偉、昝軍才等[10-12]采用理論分析和數(shù)值模擬方法對(duì)煤礦大采高長(zhǎng)壁采煤法所引起的煤層上覆巖層發(fā)生破壞的高度及充分采動(dòng)時(shí)上覆巖層發(fā)生破壞的判據(jù)進(jìn)行了深入的研究。

上述研究在煤炭開(kāi)采下地表移動(dòng)變形取得了較大的進(jìn)展，通過(guò)結(jié)合該礦實(shí)際，在52304 工作面上布置地表觀(guān)測(cè)站，采用UDEC 離散元數(shù)值模擬分析，地表移動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及移動(dòng)參數(shù)分析；研究了西部礦區(qū)大柳塔礦地表移動(dòng)變形規(guī)律，為西部礦區(qū)開(kāi)采提供數(shù)據(jù)參考依據(jù)。

1 工程背景

1.1 工作面概況

在大柳塔礦井5-2 煤52304 工作面的上方建立移動(dòng)觀(guān)測(cè)站，該地區(qū)地處丘陵地區(qū)，地形復(fù)雜，海拔高度為1 154.8～1 269.9 m，地表觀(guān)測(cè)站附近地表平均標(biāo)高為1 214 m。工作面煤層厚度范圍6.6～7.3 m，平均煤層厚度6.94 m，地板標(biāo)高988.7～1 018.1 m,埋深為136.7～281.2 m，平均225 m，煤巖類(lèi)型以半暗型和半亮型煤為主，并夾雜少量的亮煤及暗煤。煤層底部為1～2 層的泥巖夾矸，夾矸厚度在0.2 m左右。頂?shù)装寰鶠槟噘|(zhì)膠結(jié)粉砂巖，頂板為波狀層理，底板為水平層理發(fā)育，局部有泥巖、細(xì)砂巖薄層發(fā)育。本區(qū)域煤層傾角小于2°，觀(guān)測(cè)站下方煤層近似于水平，根據(jù)64#、269#、293#鉆孔資料可知，設(shè)站地區(qū)溝谷主要由風(fēng)積砂覆蓋，第四系松散層厚度20 m 左右，坡頂基本無(wú)第四系沉積。工作面為刀把式，工作面最窄147.5 m，最長(zhǎng)301 m，工作面走向長(zhǎng)度為4 547.6 m。采用走向長(zhǎng)壁采煤法，頂板管理采用全部垮落法。

1.2 地表移動(dòng)變形觀(guān)測(cè)布設(shè)

大柳塔礦井5-2 煤首采面巖移觀(guān)測(cè)布設(shè)為：傾斜線(xiàn)點(diǎn)位（Q1-Q34）向切眼方向平移140 m，并在刀把式工作面最窄工作面上方增加1 條觀(guān)測(cè)線(xiàn)（Z72-Z82），走向觀(guān)測(cè)線(xiàn)按原設(shè)計(jì)點(diǎn)位埋設(shè)（Z1-Z71）。3 條觀(guān)測(cè)線(xiàn)總長(zhǎng)度2 451 m，共埋設(shè)116 個(gè)工作測(cè)點(diǎn)，6個(gè)控制點(diǎn)。主要包括2 個(gè)半條走向觀(guān)測(cè)線(xiàn)，觀(guān)測(cè)線(xiàn)Z1-Z71，測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度1 400 m，測(cè)點(diǎn)平均間距20 m，觀(guān)測(cè)線(xiàn)Z72-Z82，測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度200 m，測(cè)點(diǎn)平均間距20 m；傾向觀(guān)測(cè)線(xiàn)Q1-Q34，測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度849 m，測(cè)點(diǎn)平均間距25 m。52304 工作面測(cè)點(diǎn)布置如圖1。

圖1 52304 工作面測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Layout of measuring points in 52304 working face

2 工作面實(shí)測(cè)地表移動(dòng)變形規(guī)律

2.1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

走向地表下沉曲線(xiàn)（長(zhǎng)線(xiàn)）如圖2，走向地表下沉曲線(xiàn)（短線(xiàn)）如圖3，傾向動(dòng)態(tài)下沉曲線(xiàn)圖如圖4。

圖2 走向地表下沉曲線(xiàn)（長(zhǎng)線(xiàn)）Fig.2 Strike surface subsidence curves（long line）

圖3 走向地表下沉曲線(xiàn)（短線(xiàn)）Fig.3 Strike surface subsidence curves (short line)

圖4 傾向動(dòng)態(tài)下沉曲線(xiàn)圖Fig.4 Tendency dynamic subsidence curves

由圖2 可以看出，隨著工作面的快速推進(jìn)，走向下沉曲線(xiàn)依次向左出現(xiàn)。測(cè)點(diǎn)位置在開(kāi)切眼工作面推進(jìn)方向140 m 處，地表的對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)下沉并隨時(shí)間范圍2011-11-01—2012-05-25，地表測(cè)點(diǎn)Z46 到測(cè)點(diǎn)Z26 間下沉量先增大后減小，2011-11-26，最大下沉值測(cè)點(diǎn)Z32 為2 800 mm，在時(shí)間2012-05-25和2013 年2 次測(cè)量后工作面上方地表在測(cè)點(diǎn)Z46到測(cè)點(diǎn)Z1 范圍內(nèi)下沉量基本相近，最大下沉值約為3 600 mm，走向觀(guān)測(cè)線(xiàn)最后1 次測(cè)量（2013-03-19）與前次測(cè)量（2012-05-25）成果比較，下沉速度最大點(diǎn)的是Z11 點(diǎn)，根據(jù)下沉速度，Z11 點(diǎn)在6 個(gè)月下沉為27.6 mm，走向線(xiàn)上其它各點(diǎn)6 個(gè)月下沉據(jù)均小于Z11 點(diǎn)，認(rèn)為走向觀(guān)測(cè)線(xiàn)已經(jīng)穩(wěn)定。

由圖3 可以看出，刀把式工作面隨工作面的推進(jìn)，走向下沉曲線(xiàn)依次向左出現(xiàn)。地表的對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)下沉并隨時(shí)間范圍2011-11-01—2012-05-25，地表測(cè)點(diǎn)Z81 到測(cè)點(diǎn)Z72 間下沉量先增大后減小，2012-05-25，最大下沉值測(cè)點(diǎn)Z75 為2 250 mm，在時(shí)間2011-11-08 和2012-05-25 年4 次測(cè)量后工作面上方地表在測(cè)點(diǎn)Z76 到測(cè)點(diǎn)Z74 范圍內(nèi)下沉量基本相近，刀把式工作面推進(jìn)過(guò)測(cè)點(diǎn)范圍后，由于在測(cè)點(diǎn)地表已經(jīng)下沉，觀(guān)測(cè)及分析數(shù)據(jù)僅做參考。

由圖4 可以看出，隨工作面的推進(jìn)，傾向下沉曲線(xiàn)平行于工作面對(duì)稱(chēng)出現(xiàn)。測(cè)點(diǎn)位置在開(kāi)切眼工作面推進(jìn)方向140 m 處，地表的對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)下沉并隨時(shí)間范圍2012-01-17—2013-08-19，地表測(cè)點(diǎn)Q34 到測(cè)點(diǎn)Q1 間下沉量先增大后減小，2012-08-19，最大下沉值測(cè)點(diǎn)Z13 為3 500 mm，在時(shí)間2013-03-19測(cè)量后工作面上方地表在測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)2 次下沉，原因是回采下一工作面出現(xiàn)的地表下沉，最大下沉點(diǎn)是Q30，本次最大下沉達(dá)3 691 mm，傾斜觀(guān)測(cè)線(xiàn)從2012-05-25 測(cè)量數(shù)據(jù)分析觀(guān)測(cè)線(xiàn)兩端下沉速度非常小，接近于穩(wěn)定，觀(guān)測(cè)線(xiàn)中間（采面正下方）還在下沉。2012-08-19 測(cè)量數(shù)據(jù)表明整個(gè)觀(guān)測(cè)線(xiàn)下沉速度不大，最大下沉點(diǎn)是Q9，6 個(gè)月累計(jì)下沉值為46 mm，所以?xún)A向觀(guān)測(cè)線(xiàn)數(shù)據(jù)分析采用2012-08-19 觀(guān)測(cè)結(jié)果，認(rèn)為傾向觀(guān)測(cè)線(xiàn)已經(jīng)穩(wěn)定。

2.2 最大下沉點(diǎn)速度特征

走向最大下沉點(diǎn)曲線(xiàn)圖如圖5。傾向最大下沉曲線(xiàn)如圖6。

圖5 走向最大下沉點(diǎn)曲線(xiàn)圖Fig.5 Curves of maximum subsidence point

圖6 傾向最大下沉曲線(xiàn)Fig.6 Tendency maximum subsidence curves

由圖5 可以看出，地表下沉速度的變形在測(cè)點(diǎn)Z36～Z18 間較大，地表測(cè)點(diǎn)Z35 最大下沉速度達(dá)430 mm/d，由于地表下沉的速度大，所以從開(kāi)始下沉到達(dá)到下沉的最大值所用時(shí)間較短，并且下沉量大，測(cè)點(diǎn)Z35 累計(jì)下沉量最大為3 800 mm，并且由于下沉地區(qū)中心位置的下沉量較大，而且采區(qū)四周的下沉量在較小的范圍內(nèi)快速降低，下沉地區(qū)的邊界十分收斂，從而導(dǎo)致了下沉地區(qū)的邊緣非常陡峭。

由圖6 可以得出，地表下沉速度在測(cè)點(diǎn)Q18、測(cè)點(diǎn)Q30 間較大，在地表測(cè)點(diǎn)Q18 最大下沉速度達(dá)33 mm/d，從地表開(kāi)始下沉到最大下沉值時(shí)間短，測(cè)點(diǎn)Q30 累計(jì)下沉值最大為3 550 mm，因?yàn)楦鱾€(gè)測(cè)點(diǎn)的下沉速度不同，所以地表裂縫寬度的大小也不同。經(jīng)過(guò)對(duì)工作面上方地表的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，切眼位置兩側(cè)的下沉盆地邊緣均出現(xiàn)了相對(duì)比較固定的裂縫，裂縫方向與采空區(qū)邊界方向基本一致，裂縫寬度一般較大，并在裂縫處出現(xiàn)臺(tái)階。

3 采動(dòng)后地表移動(dòng)變形規(guī)律

3.1 數(shù)值模型

為了研究覆巖斷裂后導(dǎo)致的地表移動(dòng)變形，利用離散元軟件UDEC 分析采動(dòng)后覆巖變形破壞規(guī)律。UDEC 數(shù)值模擬模型：模型長(zhǎng)500 m，高225 m，模型的左右邊界為水平方向，底部邊界為垂直方向，且位移固定，上部邊界為自由邊界。模型基于摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，煤巖物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 煤巖物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock

3.2 模擬方案及結(jié)果分析

不同推進(jìn)距離覆巖裂隙場(chǎng)形態(tài)及位移量云圖如圖7。工作面推進(jìn)下沉曲線(xiàn)如圖8。

圖7 不同推進(jìn)距離覆巖裂隙場(chǎng)形態(tài)及位移量云圖Fig.7 Shape and displacement nephograms of overlying rock fracture field with different advancing distance

圖8 工作面推進(jìn)下沉曲線(xiàn)Fig.8 Advancing subsidence curves of working face

由圖7 可知，在模型中模擬從100 m 處開(kāi)切眼向右推進(jìn)，每次推進(jìn)50 m，共推進(jìn)200 m。當(dāng)模型工作面推進(jìn)50 m 時(shí)，由于砂巖頂板厚度較大，在模型中直接頂發(fā)生斷裂垮落，基本頂尚未發(fā)生破斷，工作面上方基本頂形成砌體梁結(jié)構(gòu)，基本頂上層和下層之間出現(xiàn)離層，采空區(qū)直接頂懸空。當(dāng)模型工作面推進(jìn)100 m 時(shí)，基本頂發(fā)生破斷，關(guān)鍵層的破斷引起關(guān)鍵層以上的頂板發(fā)生位移并傳遞到地表引起地表發(fā)生一定下沉。當(dāng)模型工作面推進(jìn)150 m 后，地表下沉達(dá)到最大值。

由圖8 可知，由于工作面推進(jìn)速度的提高，使得煤層上覆巖層的各個(gè)層次下沉的速度均得到不同程度的加快，從而使得上覆巖層的相對(duì)懸空時(shí)間減少，所以導(dǎo)致移動(dòng)變形的集中。另外，綜采采高大，造成垮落帶、斷裂帶增高，彎曲下沉帶相對(duì)減小,也使移動(dòng)變形相對(duì)集中。

4 相鄰工作面鉆孔窺視分析

DS6 號(hào)孔裂隙成像如圖9。DS7 號(hào)孔裂隙成像如圖10。DS6 號(hào)孔為采前孔，巖心較完整，裂隙發(fā)育少，成像檢測(cè)僅有3 條裂隙發(fā)育。DS7 號(hào)鉆孔為采后孔，整孔裂隙發(fā)育，巖心破碎。

圖9 DS6 號(hào)孔裂隙成像Fig.9 Fracture imaging of hole DS6

圖10 DS7 號(hào)孔裂隙成像Fig.10 Fracture imagings of hole DS7

1）巖石成像。由于大柳塔礦區(qū)以煤系地層的砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，同一巖性地層在水平方向上性質(zhì)較均一，在成像結(jié)果中，完整巖石表現(xiàn)為水平及豎直方向上都很均勻，在分層處可見(jiàn)水平層理面。完整巖石在成像成果中為：①顏色：較均一的灰黃色、灰色、深灰色；②光滑程度：較為均一的光滑或粗糙感；③反光情況：無(wú)明顯的反光點(diǎn)或線(xiàn)。

2）煤層成像。由于煤層的黑色與巖層顏色差異明顯，且具有明顯不同于巖石的反光特性，因此在成像成果中容易判別，煤層在成像成果中為：①顏色：較均一的黑色；②光滑程度：由于煤性脆、鉆探的斷面較粗糙；③反光情況：有明顯的較均一的反光點(diǎn)。

3）裂隙成像。由于裂隙發(fā)育位置破壞了巖層的均一性，且由于裂隙邊沿處處會(huì)有少量積水，在成像成果中會(huì)有沿裂隙邊沿延伸方向的線(xiàn)狀反光，在寬度較大的裂隙中央則呈現(xiàn)為黑色。裂隙在成像成果中為：①顏色：裂隙中央為均一的黑色；②反光情況：會(huì)有沿裂隙邊沿延伸方向的線(xiàn)狀反光。

5 結(jié) 論

1）由于工作面推進(jìn)速度的提高，導(dǎo)致煤層上方各個(gè)巖層的沉降速度均得到不同程度的提高，從而使得上覆巖層的相對(duì)懸空時(shí)間減少，所以導(dǎo)致移動(dòng)變形的集中另外，綜采采高大，造成垮落帶、斷裂帶都有不同程度的增高，彎曲下沉帶相對(duì)減小，也使移動(dòng)變形相對(duì)集中，可以用來(lái)研究地表沉陷規(guī)律及預(yù)測(cè)地表變形規(guī)律。

2）地表下沉的最大速度430 mm/d，因?yàn)榈乇硐鲁恋乃俣却螅詮拈_(kāi)始下沉到達(dá)到下沉的最大值所用時(shí)間較短，并且下沉量大，走向觀(guān)測(cè)線(xiàn)上的點(diǎn)Z10 的最大下沉量為3.959 m，并且由于下沉地區(qū)中心位置的下沉量較大，而且采區(qū)四周的下沉量在較小的范圍內(nèi)快速降低，下沉地區(qū)的邊界十分收斂，從而導(dǎo)致了下沉地區(qū)的邊緣非常陡峭。經(jīng)過(guò)在工作面上方的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，切眼位置兩側(cè)的下沉地區(qū)邊緣均出現(xiàn)了相對(duì)比較固定的裂縫，裂縫方向與采空區(qū)邊界方向基本一致，裂縫寬度一般較大，并在裂縫處出現(xiàn)臺(tái)階。DS6 號(hào)孔為采前孔，巖心較完整，裂隙發(fā)育少，成像檢測(cè)僅有3 條裂隙發(fā)育。DS7 號(hào)鉆孔為采后孔，整孔裂隙發(fā)育，巖心破碎。

3）快速開(kāi)采使總的地表移動(dòng)時(shí)間縮短。地表從開(kāi)始下沉到接近最大下沉量所用不到6 個(gè)月的時(shí)間，而且穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，最后下沉100 mm 接近10個(gè)月的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定。