大傾角煤層開采地表沉陷規(guī)律研究

張海洋，李小萌，孫利輝

(1.冀中能源股份有限公司 云駕嶺礦，河北 邯鄲 056302；2.河北工程大學(xué) 礦業(yè)與測繪工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；3.河北省煤炭資源綜合開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，河北 邯鄲 056038)

在東部老礦區(qū)，優(yōu)質(zhì)煤炭資源開采殆盡并逐步轉(zhuǎn)入地質(zhì)條件復(fù)雜的煤層開采，其中，大傾角煤層開采的地表沉陷就是亟需解決的問題[1-5]。近年來，諸多學(xué)者針對大傾角煤層開采的覆巖運移和開采沉陷規(guī)律進行了研究[6-10]。伍永平[11，12]提出了“R-S-F”(頂板-支護-底板)系統(tǒng)失穩(wěn)的主導(dǎo)參數(shù)及傾斜砌體結(jié)構(gòu)模型；朱慶偉[13]等利用數(shù)值計算研究了不同煤層傾角下的覆巖運動特征及地表塌陷坑的形狀；崔希民[14]討論了開采沉陷的主要影響因素、預(yù)計參數(shù)的確定和預(yù)計誤差，強調(diào)了預(yù)計誤差和擬合誤差的區(qū)別；麻鳳海[15]等結(jié)合紅菱礦實際條件，通過數(shù)值模擬方法研究了多煤層開采的地表沉陷規(guī)律；李樹峰[16-20]等通過數(shù)值模擬和相似模擬手段研究了急傾斜煤層開采的巖層移動和地表沉陷規(guī)律。

大傾角煤層開采的巖層移動特點決定了地表沉陷規(guī)律的發(fā)展變化規(guī)律，因此，以云駕嶺煤礦為例首先應(yīng)用數(shù)值模擬方法研究大傾角煤層開采后的巖層移動規(guī)律與近水平煤層的區(qū)別，并結(jié)合概率積分法對大傾角煤層開采地表沉陷的規(guī)律進行驗證。

1 工程背景

1.1 工作面概況

云駕嶺煤礦12805下工作面位于井田八采區(qū)，工作面北以八采區(qū)回風(fēng)下山為界；南部以12805下工作面終采線為界；西部以12805工作面采空區(qū)為界；東部以八采區(qū)運輸平巷為界。工作面地表為山丘和農(nóng)田，地表有西土山鄉(xiāng)村莊，留有保護煤柱。地面標(biāo)高：+250.3～+270.7m，工作面開采標(biāo)高-346.1～-450m。

12805下工作面煤層賦存穩(wěn)定，煤層厚度在0.90～3.85m之間，平均厚度3.0m。煤巖層走向N9°W，傾向NE，傾角26°～35°，平均32°。初步方案設(shè)計為回采長度866m，工作面切眼長度50m。直接頂板為深灰色粉砂巖，平均7.6m；基本頂為灰色細(xì)粒砂巖，平均4.53m；直接底為深灰色粉砂巖，平均4.62m；基本底為灰色、深灰色細(xì)粒砂巖，平均厚度4.33m。采用單一厚煤層一次采全高走向長壁后退式采煤法，單向割煤，全部垮落法控制頂板。

1.2 地表建筑物分布及結(jié)構(gòu)特征

12805下工作面切眼南偏東51°，距工作面切眼761m左右有西土山中心小學(xué)教學(xué)樓一棟。此外，在工作面東側(cè)110m和230m左右有各有一棟一層民房，工作面東側(cè)428m左右位置有兩棟6層建筑和一棟高層建筑。工作面與地表建筑相對位置如圖1所示。

圖1 地表主要建筑物與工作面相對位置

2 數(shù)值計算

2.1 數(shù)值計算模型及參數(shù)選取

為研究工作面開采對地表建筑物的影響，以云駕嶺礦12805下工作面為工程背景建立數(shù)值計算模型，模型寬度500m，走向長度1000m，高770m，模擬開采工作面長60m，傾角30°，煤層厚度3.0m。模型左右、前后及底部固定位移約束，頂部為自由邊界；煤巖體采用摩爾-庫倫模型。各巖層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 工作面推進不同距離時地表下沉規(guī)律

如圖2所示，當(dāng)工作面推進至100m時，走向主斷面地表最大下沉值為205mm，隨工作面向前推進，地表最大下沉逐步增大，工作面推進至200m時，地表最大下沉值為220mm，工作面推進至400m時，地表最大下沉值為240mm，當(dāng)工作面推進至600m時，地表最大下沉達(dá)到258mm。此外，地表最大下沉位置基本處于工作面正上方對應(yīng)的地表位置。如圖3所示，隨工作面推進，地表最大下沉值隨持續(xù)增大，但絕對增加量逐漸趨緩，即隨工作面推進，地表最大下沉值將逐步趨近于地表最大下沉值。

圖2 工作面推進過程中走向主斷面下沉分布

圖3 工作面推進距離與地表最大下沉值的關(guān)系

2.2.2 傾向不同位置地表最大下沉值的分布規(guī)律

工作面推進600m上下山邊界處對應(yīng)地表的最大下沉值如圖4所示。由圖4可知，隨工作面推進，上下山處對應(yīng)地表下沉逐步增大。當(dāng)工作面推進100m時，上山處地表最大下沉211mm，下山處地表最大下沉200mm，工作面推進至600m時，上山處地表最大下沉268mm，下山處地表最大下沉252.6mm。將工作面推進過程中工作面上、下端頭處對應(yīng)的地表下沉值提取如圖5所示，可見，煤層傾角對地表下沉的影響比較顯著，在工作面上部邊界處造成的地表下沉值明顯大于工作面下部處的地表下沉。大傾角煤層開采時，采場上方破斷巖層繞其下部鉸接點旋轉(zhuǎn)，從而造成工作面上部破斷巖層回轉(zhuǎn)空間較大，進而波及地表，導(dǎo)致對應(yīng)位置處地表下沉值較深部位置偏大。而西土山中心小學(xué)和高層建筑處于工作面下山所對應(yīng)的地表位置，因此在傾角影響下工作面的開采對其影響將大為減輕。

圖4 工作面推進600m上下山邊界處對應(yīng)地表的最大下沉值

圖5 工作面推進過程中上下山地表最大下沉值

3 開采沉陷的動態(tài)預(yù)計

3.1 動態(tài)預(yù)計基本原理

采用優(yōu)化分段Konthe時間函數(shù)作為動態(tài)預(yù)計時間函數(shù)。其函數(shù)模型見式(1)。

根據(jù)概率法原理，某一動態(tài)單元(v1，t1)開采，其引起的地表任意一點A(x，y)的下沉量W(x，y)可按式(2)計算：

式中，W0為最大下沉量，mm；v1t1為第1個動態(tài)單元長度，m；D1s為工作面傾向長，m。

3.2 動態(tài)預(yù)計結(jié)果

不同的預(yù)計時刻計算得到的地表任意點地表變形動態(tài)變化如圖6、圖7所示，隨工作面推進，地表的傾斜變形和下沉逐步向工作面推進方向拓展。在T=310d時，地表下沉量達(dá)到2247mm，地表傾斜變形三維圖形成了符號相反的對稱圖形，由其發(fā)展過程可知，中間傾斜值為0的地表點也是經(jīng)歷了由小到大，再從大到小，最后為0的劇烈變化過程。

同時，重點關(guān)注的區(qū)域(西土山中心小學(xué)和工作面東側(cè)高層建筑坐標(biāo)點)其地表下沉值和傾斜變形均在一級開采損害范圍內(nèi)。

圖6 T=140d地表變形

圖7 T=310d地表變形

4 建筑物下開采地表沉陷預(yù)計軟件驗證

4.1 地表沉陷預(yù)計基本參數(shù)

云駕嶺礦12805下工作面主要計算參數(shù)為：開采深度620～710m，煤層厚度3.0m，煤層傾角32°，工作面寬度43m，走向長度400m。評價地表房屋移動變形程度(主要針對本區(qū)域建筑物情況)的主要指標(biāo)有：地表下沉值w(mm)、地表傾斜值i(mm/m)、地表水平變形值ε(mm/m)、地表水平移動、地表曲率等。計算分東西和南北兩個方向進行。

4.2 預(yù)計結(jié)果分析

12805下工作面按現(xiàn)有條帶設(shè)計開采后地表影響值見表2。由表2可知，采用該開采方案后，上覆地表最大下沉為222mm，地表最大傾斜為1.1mm/m，地表最大水平拉伸變形為0.72mm/m，地表最大壓縮變形為1.46mm/m，最大曲率0.01，最大水平移動170mm。

表2 工作面開采后地表移動變形值

由表3可知，12805工作面條帶開采后，兩棟高層建筑附近最大下沉10mm，最大傾斜0.3mm/m，最大水平拉伸變形0.3mm/m，最大水平壓縮變形0.1mm/m，最大曲率變形0.01×10-3/m，最大水平移動130mm；西土山中心小學(xué)最大下沉小于10mm，最大傾斜0.1mm/m，最大水平拉伸變形0.1mm/m，最大曲率變形0.01×10-3/m，水平移動小于1mm。

因此，12805下工作面開采后，對附近兩棟高層建筑和西土山中心小學(xué)的損壞等級控制在Ⅰ級范圍內(nèi)，影響輕微，建筑物無需維修或簡單維修即可保證地面建筑物的使用安全。工作面煤層開采后，在其淺部位置處地表下沉值較大，而在深部區(qū)域?qū)?yīng)的地表處下沉值較小，這與數(shù)值模擬結(jié)論相一致。

表3 工作面開采后主要建筑物移動變形情況統(tǒng)計

5 結(jié) 論

1)數(shù)值計算結(jié)果表明，大傾角煤層開采的地表沉陷規(guī)律與近水平煤層有顯著不同。受大傾角采場巖層破斷的不均衡性影響，上山處對應(yīng)的地表下沉明顯大于下山處的地表下沉值。

2)基于概率積分原理的地表下沉軟件預(yù)計可知，工作面淺部地表下沉值大于深部地表下沉值，這與數(shù)值計算結(jié)論相一致。

3)采用Konthe時間函數(shù)和概率積分軟件對地表建筑物(西土山中心小學(xué)和高層建筑)處地表變形進行預(yù)計可知，兩處建筑物受開采影響均在Ⅰ級范圍內(nèi)，影響輕微。