磁窯溝煤礦黃土溝壑地貌開采沉陷規(guī)律研究

楊玉龍，宋選民

(1.山西河曲晉神磁窯溝煤業(yè)有限公司, 山西 忻州 036500；2.太原理工大學(xué)原位改性采礦教育部重點(diǎn)實驗室，太原 030024)

目前，我國能源結(jié)構(gòu)中煤炭仍占據(jù)著主導(dǎo)地位，絕大部分煤炭資源來自于井工煤礦，其工作面的回采在不同程度上引起了地表沉陷變形[1]，使得煤炭資源開發(fā)與礦區(qū)環(huán)境保護(hù)之間的矛盾日益凸顯[2-3]。河?xùn)|煤田是山西省重要產(chǎn)煤基地之一，煤炭資源賦存較淺、煤層厚度較大、上覆黃土溝壑錯綜復(fù)雜，工作面回采后對礦區(qū)地表產(chǎn)生較大影響，制約了礦區(qū)經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展[4-5]。

針對黃土溝壑地貌的開采沉陷問題，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者取得了大量有益研究成果。ALAEE et al[6]基于模糊理論，建立了有關(guān)地表開采沉陷的模糊隸屬度函數(shù)，并于伊朗Tabas煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場驗證。KOPEC et al[7]對波蘭上西西里亞煤田開采引發(fā)的地表沉陷進(jìn)行了實測研究，分析了其對地表道路、房屋等建筑物的影響。魏國武[8]以大佛寺煤礦30201工作面為背景，總結(jié)得出礦山開采沉陷影響因子，構(gòu)建了礦山開采沉陷危險性系數(shù)計算模型。吳文敏等[9]研究了黃土高原丘陵地貌對地表移動變形的影響，得出受采動影響溝谷兩側(cè)向下坡方向滑移，溝谷底部的地表會發(fā)生抬升，滑移分量比值與坡度存在線性遞減的關(guān)系。趙兵朝等[10]研究了生態(tài)脆弱區(qū)厚松散層薄基巖、黃土溝壑及山區(qū)丘陵下煤層開采的地表損害特征，并以基采比和基載比為關(guān)鍵參數(shù)，揭示了生態(tài)脆弱區(qū)煤層開采損害特征形成的機(jī)理。陳超等[11]根據(jù)采動地裂縫的力學(xué)成因進(jìn)行分類，系統(tǒng)梳理了不同類型采動地裂縫形成機(jī)理研究進(jìn)展，分析了采動地裂縫的影響因素與研究方法，討論了相關(guān)的關(guān)鍵科學(xué)問題。張磊等[12]運(yùn)用數(shù)值模擬方法，研究了黃土覆蓋區(qū)域煤層開采引起的地表沉陷特征，認(rèn)為受采動及上覆巖層自重的影響，地表沉陷變形隨采掘范圍的增加而加大。賀國偉等[13]基于支持向量機(jī)，構(gòu)建了適用于黃土礦區(qū)的最大下沉預(yù)計模型，提高了黃土地表最大下沉值預(yù)計精度和可靠性。李春意等[14]采用現(xiàn)場實測、理論分析和離散元數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析了地表沉陷的基本特征，構(gòu)建了基于坐標(biāo)變換的傾向地表下沉和水平移動擬合函數(shù)模型，確定了地表沉陷的角量參數(shù)和預(yù)計參數(shù)。溫建生[15]以柳灣礦61115工作面地表沉陷實測資料為基礎(chǔ)，分析了地表移動變形動靜態(tài)規(guī)律，得出地表下沉集中在活躍期并且下沉速度較大，基巖移動角偏大而綜合邊界角偏小。

綜上所述，對于煤層開采影響下的黃土溝壑地表沉陷預(yù)測的研究需要根據(jù)礦井實際地質(zhì)生產(chǎn)條件綜合分析判斷。本文以磁窯溝煤礦13101工作面生產(chǎn)地質(zhì)條件為工程背景，運(yùn)用理論分析及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析其開采引起的地表移動變形規(guī)律，對該礦厚煤層綜放開采條件下的地表沉陷預(yù)判具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程背景

1.1 13101工作面工程地質(zhì)條件

13101工作面位于磁窯溝礦二水平一盤區(qū)，主采13#煤層，位于井田南部，上部為10#煤層采空區(qū)，平均間距為20 m；東部為13102工作面(未形成)，以東為13#煤層未開采的實體煤；南部為山西華鹿陽坡泉煤礦，留設(shè)20 m保護(hù)煤柱，該煤礦目前未開采13#煤層;西部為13#煤層未開采的實體煤，與留設(shè)的寺也村村莊保護(hù)煤柱相接；北部為131盤區(qū)輔助運(yùn)輸大巷/較大大巷/回風(fēng)大巷，以北為13#煤一盤區(qū)，為未開采的實體煤。工作面寬度135.6 m，長度為1 579.4 m，煤層總厚9.40～11.10 m，平均10.25 m，煤層傾角2.8°～4.6°，平均3.7°，采用綜合機(jī)械化放頂煤工藝進(jìn)行回采。

1.2 13101工作面地表典型特征

13101工作面地面標(biāo)高+1 026～+1 135 m，工作面標(biāo)高+889～+921 m，蓋山厚度122～215 m;松散層厚度40.4～108.0 m，平均74.2 m;基巖厚度65.5～119.0 m，平均95.0 m。工作面地表地形為山西西北部黃土高原中-低山區(qū)地形，地面植被稀少，沖刷劇烈，溝谷成“V”字形羽毛狀分布，地表大部分為新生界黃土及紅土覆蓋，且陡峭懸崖有較小規(guī)模的黃土崩塌現(xiàn)象。地表地形總體北高南低，山坡和溝谷分布廣泛，大部分為旱地和荒地。距切眼1 500～1 580 m地表為溝谷，大氣降水匯集后形成的積水會在短時間內(nèi)流入北部的磁窯溝-洞溝一帶溝壑，其地表形貌如圖1所示。

圖1 13101工作面地表

2 概率積分法預(yù)計參數(shù)及計算分析

2.1 相關(guān)參數(shù)選取

13101工作面地表變形理論分析中，首先需要根據(jù)工作面實際生產(chǎn)、地質(zhì)條件，依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，對下沉系數(shù)、水平移動系數(shù)、主要影響角正切等參數(shù)進(jìn)行確定。

1)下沉系數(shù)。由于13101工作面上覆10#煤層均已采空，且兩層煤平均間距為20 m，故根據(jù)以下公式計算：

qf=(1+a)qc.

(1)

式中:qf為復(fù)采下沉系數(shù)；a為下沉活化系數(shù)，取0.2；qc為初采下沉系數(shù)，取0.55。代入磁窯溝礦相關(guān)數(shù)據(jù)可知，13101工作面上覆巖層下沉系數(shù)為0.66。

2)水平移動系數(shù)b。重復(fù)采動條件下，水平移動系數(shù)與初次采動相同，即：bf=bc，故取bf為0.25。

3)主要影響范圍角正切tanβf。重復(fù)采動時tanβf較初次采動增加0.3～0.8。對于中硬巖層可按式(2)計算：

tanβf=tanβc+0.06236lnh-0.017.

(2)

式中：tanβf為重采時主要影響范圍角正切；tanβc為初采時主要影響范圍角正切，取2.16；h為第二層煤的采深，取平均埋深164.4 m。帶入磁窯溝礦相關(guān)數(shù)據(jù)可知，13101工作面上覆巖層主要影響范圍角正切tanβf為2.48。

2.2 地表變形計算結(jié)果

根據(jù)以上分析所得相關(guān)系數(shù)，對13101工作面回采影響下地表變形進(jìn)行理論預(yù)測，包括地表最大下沉值、最大水平移動值、最大傾斜變形值、最大曲率變形值及最大水平變形值，各參數(shù)的具體計算過程如下。

1)地表最大下沉值計算。

充分采動

Wcm=dqcosα.

(3)

非充分采動

Wbm=dqncosα.

(4)

式中:Wcm為充分采動條件下地表最大下沉值，mm；Wbm為非充分采動條件下地表最大下沉值，mm；q為充分采動條件下的下沉系數(shù)，取0.66；d為煤層法向開采厚度，取值10.25 m；α為煤層傾角，(°)；n為地表充分采動系數(shù),其中

(5)

式中：n1和n3大于1時取1；k1、k3為與覆巖巖性有關(guān)的系數(shù)，堅硬巖層：k1、k3=0.7；中硬巖層：k1、k3=0.8；軟弱巖層k1、k3=0.9；l1、l3為傾向及走向工作面長度，m；h0為工作面平均開采深度，m。13101工作面寬度135.6 m，長度為1 579.4 m，平均埋深164.4 m，工作面上覆巖層以砂巖為主，為中硬巖層，代入上式計算可知13101工作面地表最大下沉值為5.48 m。

2)地表最大水平移動值計算。沿煤層走向方向上的最大水平移動

Um=bWmax.

(6)

式中，Um為最大水平移動值，mm；b為水平移動系數(shù)，取0.25；Wmax為最大下沉值，mm。代入13101工作面地表最大下沉值5.48 m計算可知，沿煤層走向的最大水平移動為1.37 m。

沿煤層傾斜方向的最大水平移動

Um=(b+0.7P)Wmax，

(7)

式中:P為覆巖綜合評價系數(shù)；h為表土層厚度，m；α為煤層傾角，(°)。磁窯溝13101工作面，上覆松散層平均厚度為69.4 m，平均埋深164.4 m，煤層平均傾角3.7°，地表最大下沉值為5.48 m。代入上式計算可知13101工作面地表沿煤層傾向方向上的最大水平移動為1.37 m。

3)最大傾斜變形值計算

(8)

4)最大曲率變形值計算

(9)

式中:kmax為最大曲率變形，mm-1。磁窯溝13101工作面地表最大下沉值為5.48 m，帶入上式計算可知，最大曲率變形1.89 mm-1。

5)最大水平變形值計算

(10)

式中:εmax為最大水平變形，mm/m。磁窯溝13101工作面地表最大下沉值為5.48 m，帶入上式計算可知，最大水平變形值0.47 mm/m。

3 黃土溝壑地表三維數(shù)值模型

3.1 數(shù)值模型及邊界條件

借助Midas-GTS/ANSYS～FLAC3D耦合建模方法,可以實現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)模型的構(gòu)建，模型可將各巖層、地質(zhì)構(gòu)造按照等高線圖真實地表現(xiàn)出來，大大提高了模擬預(yù)計分析的準(zhǔn)確度和可靠性。選取13101工作面中部作為建模區(qū)域，以該區(qū)域內(nèi)勘探鉆孔為巖層賦存依據(jù)，由于煤層開采所引起的地表下沉范圍大于工作面長度(136 m)，因此數(shù)值模型沿工作面方向分別向外擴(kuò)展100 m，故數(shù)值模型在工作面方向的長度為430 m，工作面推進(jìn)方向上模型長度為500 m，模型垂直方向按照區(qū)內(nèi)實際鉆孔勘測結(jié)果進(jìn)行建模，共包含巖層30層，計算單元327 495個，計算節(jié)點(diǎn)342 380個，如圖2所示。

圖2 三維數(shù)值模型

基于上述模型，對13101工作面進(jìn)行回采，根據(jù)實際情況設(shè)置邊界條件，模型包含5個位移邊界，即模型四周平面固定對應(yīng)法向變形，模型底面固定3個主方向的變形。

3.2 數(shù)值模擬本構(gòu)及參數(shù)

由于本次數(shù)值模擬中所涉及材料均為巖土類，因此選用FLAC3D軟件中內(nèi)嵌摩爾-庫倫本構(gòu)，計算過程中需用戶賦值的材料參數(shù)包括：容重、抗拉強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量及泊松比，由區(qū)內(nèi)鉆孔數(shù)據(jù)可知，13101工作面上覆巖層大致可分為9種巖性，各巖性及參數(shù)匯總見表1所示。

表1 上覆巖層巖性及參數(shù)

3.3 數(shù)值模擬方案

首先根據(jù)前述參數(shù)對模型材料進(jìn)行賦參，計算初始平衡，因區(qū)內(nèi)鉆孔勘測結(jié)果中，13#煤層上部存在10-1#煤層采空區(qū)，且目前該采空區(qū)已壓實穩(wěn)定，因此將10-1#煤層所對應(yīng)模型設(shè)置為采空區(qū)模擬參數(shù)，故在本章數(shù)值模擬過程中不需對10-1#煤層采空區(qū)進(jìn)行開采模擬。初始平衡后對13#煤層進(jìn)行分步開挖，初次開挖50 m，以模擬工作面的前期開挖工況;其后，以20 m為開挖步距對剩余工作面進(jìn)行回采模擬，直至工作面回采至450 m，總計開挖模擬21次。從工作面回采過程中的地表下沉量、水平移動量、剪切應(yīng)變及剪應(yīng)變增量4個方面出發(fā)，分別提取工作面推進(jìn)不同長度時的地表各項參數(shù)模擬結(jié)果，對地表變形機(jī)理展開分析。

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

數(shù)值模擬共開挖21次，由于篇幅所致，以工作面推進(jìn)50 m、150 m、250 m、350 m及450 m為例，提取各參數(shù)模擬結(jié)果，對13101綜放工作面回采引起的黃土溝壑地表沉陷變形進(jìn)行分析。

4.1 地表下沉量

工作面推進(jìn)過程中，黃土溝壑地表下沉量分布云圖如圖3所示。由圖3可知，隨著工作面推進(jìn)至50 m、150 m、250 m、350 m以及450 m時，工作面上方地表最大下沉量為1.50 m、5.08 m、6.12 m、6.41 m以及6.55 m，可見隨著工作面的推進(jìn)，地表下沉量不斷增加，但下沉增速由0～50 m的30.02 mm/m，下降至350～450 m的1.38 mm/m，可見采空區(qū)覆巖運(yùn)移趨于穩(wěn)定。在任一推進(jìn)距離，采區(qū)地表垂直方向沉陷出現(xiàn)“中部大兩側(cè)小”的現(xiàn)象，這主要是由于采空區(qū)兩側(cè)為實體煤，對兩側(cè)覆巖運(yùn)移具有限制作用，導(dǎo)致采空區(qū)中部覆巖以豎向直接下沉為主，兩側(cè)覆巖向中部傾斜。空區(qū)地表西部黃土坡沿垂直方向下沉大于東側(cè)，推測是由于西側(cè)山坡較為陡峭，可能出現(xiàn)黃土陡坡失穩(wěn)滑落，影響地表構(gòu)筑物安全。黃土“山脊”位移較黃土“山谷”位移大，則表明黃土溝谷地表的防護(hù)重點(diǎn)應(yīng)在邊坡山脊處。

(a)推進(jìn)50 m

4.2 地表水平移動量

工作面的回采會引起上覆地表產(chǎn)生水平移動，將其沿工作面長度和推進(jìn)兩個方向進(jìn)行分解，分別提取分布云圖，分析其水平移動變形特征。

1)工作面長度方向。工作面推進(jìn)過程中，黃土溝壑地表沿工作面長度方向水平移動分布云圖如圖4所示。

由圖4可知，隨著工作面推進(jìn)至50 m、150 m、250 m、350 m以及450 m時，工作面上方地表東側(cè)沿工作面長度方向最大水平位移值為0.67 m、2.37 m、2.92 m、3.00 m以及3.09 m。隨著工作面的推進(jìn)，地表水平位移值不斷增加，但變形增速由0～50 m的13.28 mm/m，下降至350～450 m的0.78 mm/m，可見東側(cè)覆巖運(yùn)移趨于穩(wěn)定。工作面上方地表西側(cè)沿工作面長度方向最大水平位移值為0.86 m、3.12 m、3.84 m、3.92 m以及3.99 m，隨著工作面的推進(jìn)，地表水平位移值不斷增加，但變形增速由0～50 m的17.26 mm/m，下降至350～450 m的0.71 mm/m，可見西側(cè)覆巖運(yùn)移趨于穩(wěn)定。同時，在工作面長度方向上，采區(qū)地表沉陷出現(xiàn)“中部小兩側(cè)大”的現(xiàn)象，這主要是由于采空區(qū)兩側(cè)為實體煤，對兩側(cè)覆巖運(yùn)移具有限制作用，導(dǎo)致采空區(qū)中部覆巖以豎向直接下沉為主，兩側(cè)覆巖向中部傾斜，出現(xiàn)沿著工作面長度方向的水平位移。采空區(qū)地表西部黃土坡沿工作面長度方向水平位移大于東側(cè)，推測是由于西側(cè)山坡較為陡峭，可能出現(xiàn)黃土陡坡失穩(wěn)滑落，影響地表構(gòu)筑物安全。黃土“山脊”位移較黃土“山谷”位移大，則表明黃土溝谷地表的防護(hù)重點(diǎn)應(yīng)在邊坡山脊處。

(a)推進(jìn)50 m

2)工作面推進(jìn)方向。工作面推進(jìn)過程中，黃土溝壑地表沿工作面推進(jìn)方向水平移動分布云圖如圖5所示。

(a)推進(jìn)50 m

由圖5可知，當(dāng)工作面推進(jìn)至50 m、150 m以及250 m時，工作面上方地表沿工作面推進(jìn)方向最大水平位移值為0.71 m、2.54 m以及2.31 m，可見隨著工作面的推進(jìn)，地表水平位移值不斷增加并趨于穩(wěn)定；同時工作面上方覆巖向采空區(qū)方向運(yùn)移，導(dǎo)致地表出現(xiàn)超前于工作面推進(jìn)距離的變形。由于西側(cè)黃土山較高，向采空區(qū)后方偏移量較大，已出現(xiàn)黃土陡坡滑塌危險。當(dāng)工作面推進(jìn)至350 m與450 m時，采空區(qū)后側(cè)上方地表出現(xiàn)向采空區(qū)方向偏移趨勢，偏移量分別為0.17 m及0.26 m，同時西側(cè)陡坡位移量增加，東側(cè)緩坡亦出現(xiàn)少量位移。

4.3 地表最大剪切應(yīng)變

工作面推進(jìn)過程中，黃土溝壑地表最大剪應(yīng)變分布云圖如圖6所示。由圖6可知，隨著工作面推進(jìn)至50 m、150 m、250 m、350 m以及450 m時，工作面上方地表剪切應(yīng)變范圍不斷增加，說明地表失穩(wěn)、破壞范圍逐漸增加。如圖6所示，采空區(qū)地表中部剪切應(yīng)變較小，四周剪切應(yīng)變量大，說明采空區(qū)四周圍巖均出現(xiàn)向采空區(qū)中部傾斜，造成地表出現(xiàn)盆地狀變形現(xiàn)象；同時采空區(qū)上覆地表形貌復(fù)雜，對剪切應(yīng)變分布產(chǎn)生一定的影響，集中體現(xiàn)為地表山坡頂端剪切應(yīng)變加大，坡中與坡底剪切應(yīng)變較小，說明黃土坡整體穩(wěn)定性較差，在工作面推進(jìn)時以及推進(jìn)后，應(yīng)當(dāng)對黃土坡采取相應(yīng)治理措施，防止黃土坡整體翻覆影響地表結(jié)構(gòu)。

(a)推進(jìn)50 m

4.4 地表最大剪應(yīng)變增量

工作面推進(jìn)過程中，黃土溝壑地表最大剪應(yīng)變增量分布云圖如圖7所示。由圖7可知，工作面推進(jìn)50 m、150 m、250 m、350 m以及450 m時，采空區(qū)上方地表最大剪應(yīng)變增量范圍不斷增加，且最大剪切應(yīng)變增量集中分布于采空區(qū)地表中部溝底位置，說明采空區(qū)中部溝底應(yīng)變量最大，最容易發(fā)生破壞，當(dāng)工作面推進(jìn)時應(yīng)當(dāng)注重對工作面中部溝底區(qū)域地表的維護(hù)與及時處理。同時可見，兩側(cè)黃土坡剪切應(yīng)變增量集中于坡頂，表明隨著工作面推進(jìn)，地表兩側(cè)黃土坡易出現(xiàn)整體傾覆，在工作面推進(jìn)時以及推進(jìn)后應(yīng)當(dāng)注重對黃土坡進(jìn)行保護(hù)，防止出現(xiàn)黃土坡整體滑塌。

(a)推進(jìn)50 m

綜合概率積分計算結(jié)果及數(shù)值模擬結(jié)果，由于13101工作面地表為黃土溝壑地貌，因此在概率積分計算時選取了煤層平均埋深作為計算參數(shù)，所獲得的值可以認(rèn)為是地表移動變形的平均值。而在數(shù)值模擬部分，通過真實地表形貌特征建立了三維數(shù)值模型，獲取了13101地表移動變形的具體數(shù)據(jù)。本文概率積分法計算結(jié)果中，13101工作面地表平均沉陷值為5.48 m，平均水平移動值為1.37 m，在回采450 m數(shù)值模型中，于最大下沉值位置取平行于工作面的剖面，計算得到該剖面地表各節(jié)點(diǎn)下沉的平均值為5.59 m，同樣的方法可以計算得到水平移動平均值的數(shù)值模擬結(jié)果為1.64 m。因此，概率積分計算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相互驗證，保證了研究結(jié)果的可靠性。

5 結(jié)論

以磁窯溝煤礦13101工作面為實際地表等高線及巖層賦存情況為依據(jù)，利用概率積分及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了其回采引起的地表移動變形規(guī)律，分析了13101工作面回采后的黃土溝壑地表穩(wěn)定性。

1)隨著工作面推進(jìn)至50 m、150 m、250 m、350 m以及450 m時，工作面上方地表最大下沉量為1.50 m、5.08 m、6.12 m、6.41 m以及6.55 m，最大水平移動量分別為0.86 m、3.12 m、3.84 m、3.92 m以及3.99 m。

2)概率積分法計算結(jié)果中，地表平均下沉值為5.48 m，平均水平移動值為1.37 m；而數(shù)值模擬結(jié)果中，平均下沉值為5.59 m，平均水平移動值為1.64 m，兩種方法的分析結(jié)果相互驗證，保證了研究結(jié)果的可靠性。

3)受工作面采動影響，黃土溝壑地表剪切應(yīng)變增量集中于坡頂，隨著工作面推進(jìn)，地表兩側(cè)黃土坡易出現(xiàn)整體傾覆，黃土“山脊”位移較黃土“山谷”位移大，黃土溝壑地表的防護(hù)重點(diǎn)應(yīng)在邊坡山脊處，防止出現(xiàn)黃土坡整體滑塌。