煤礦“三軟”煤層開采地表移動規(guī)律及機理研究

王 禮，王明遠，劉曉攀，王曉晨

(1.河南神火煤電股份有限公司梁北煤礦，河南 禹州 461670； 2.江蘇省地質礦產(chǎn)局第二地質大隊，江蘇 常州 213022)

梁北煤礦位于河南省禹州市，是我國典型的“三軟”煤層區(qū)域?！叭洝泵簩邮侵该旱V開采中遇到的軟頂板巖層、軟煤層和軟底板巖層，屬于構造條件復雜、賦存條件差的難采煤層，采動地表移動變形有其特殊特點，需要有針對性地開展采動覆巖破壞與地表移動變形規(guī)律研究。在該研究方面，郭文兵等[1-4]給出了鄭州礦區(qū)“三軟”煤層開采條件下地表沉陷規(guī)律；鄒雨霖等[5]根據(jù)三軟煤層地質采礦條件，對地表移動變形進行了預測；于占泳[6]分析總結了“三軟”煤層開采地表變形規(guī)律及主要巖移參數(shù)；崔峰等[7]通過建立地表移動觀測站，對“三軟”特厚煤層綜放開采地面移動規(guī)律進行研究；欒元重等[8]根據(jù)洼東煤礦“三軟”地質采礦條件，設計了村莊下條帶開采合理尺寸；魏躍東[9]分析了在“三軟”傾斜煤層下地表變形規(guī)律。本文依據(jù)梁北煤礦地表移動觀測站資料，分析“三軟”煤層開采導致的地表移動變形規(guī)律，并分析移動變形機理，為梁北煤礦建筑物下壓煤開采提供參考。

1 研究區(qū)工作面“三軟”煤層特征

梁北煤礦開采煤層為二1煤層，采用綜采大采高走向長壁機械化采煤方法，全部垮落法控制頂板。研究區(qū)11141工作面位于11采區(qū)，走向長1 263 m，傾斜長136 m，地面標高+112～+115 m，工作面標高-430.0～-504.0 m，平均采深580 m、采厚4.0 m，煤層傾角10°～12°。煤層屬極軟煤層，頂?shù)装鍘r性見表1。由表1可知，11141工作面為軟頂板巖層、軟煤層和軟底板巖層，屬于典型的“三軟”煤層，煤層直接頂板巖層裂縫發(fā)育、破碎，不穩(wěn)定，強度低，一旦失去支撐很快就冒頂；煤層煤質較軟，節(jié)理發(fā)育、不穩(wěn)定且極易片幫。

表1 11141工作面頂?shù)装鍘r性Tab.1 11141 working face of roof and floor rock properties

2 地表移動觀測站建立及觀測

為了探討“三軟”煤層開采條件下地表移動變形規(guī)律，在11141開采工作面上方設置了地表移動觀測站，走向觀測線為A0—A20，共21個觀測點，傾向觀測線為B1—B25，共25個觀測點(圖1)。

圖1 11141工作面觀測站布置示意Fig.1 Observation station layout of 11141 working face

觀測時采用精密數(shù)字水準測量儀器和全站儀，從觀測點埋設后的首次全面觀測至最后一次全面觀測，共進行了9次水準測量和4次全面觀測。

3 地表移動變形特征分析

據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，繪制地表移動變形曲線，部分移動變形曲線如圖2—圖7所示。

圖2 工作面走向下沉曲線Fig.2 Sinking curves of surface tendency

(1)在走向方向上，隨著工作面的不斷推進，地表下沉值逐漸增大，最大下沉值點隨之前移，地表下沉盆地逐漸變大，達到移動變形的劇烈期。當?shù)乇硪苿幼冃蔚膭×移谶^后，下沉變形量增幅不明顯，采空區(qū)上方地表下沉盆地呈山谷狀；在傾向方向上，當傾向下沉盆地形成后，最大下沉值153 mm位于B15處。在工作面推進過程中，下沉盆地沒有隨工作面開采前移，最大下沉值在B15點處相對固定。

圖3 工作面傾向下沉曲線Fig.3 Sinking curves of surface tendency

圖4 工作面走向傾斜曲線Fig.4 Sloping curve of surface bearing

圖5 工作面傾向傾斜曲線Fig.5 Sloping curve of surface tendency

(2)隨著工作面推進，走向方向上，地表傾斜值逐漸達到最大，最大傾斜值0.996 mm/m出現(xiàn)在A10處；傾向方向上，最大傾斜值1.207 mm/m出現(xiàn)在B20處。地表移動盆地邊界至拐點間傾斜漸增，拐點至最大下沉點間傾斜逐漸減小，在拐點處傾斜最大，有兩個相反的傾斜值。隨后，各個觀測時期的最大傾斜值隨著工作面持續(xù)推進而向前移動。

圖6 工作面走向曲率曲線Fig.6 Curvature graph of surface bearing

圖7 工作面傾向曲率曲線Fig.7 Curvature graph of surface tendency

(3)曲率曲線基本呈正負對稱分布，隨著工作面不斷推進隨之向前移動。在開采工作面上邊界煤柱一側為正曲率，盆地中部采空區(qū)上方為負曲率，邊界點和拐點處曲率為0，各個觀測時期內(nèi)正負曲率值交替出現(xiàn)。在走向方向上，最大正曲率0.017 3×10-3/m位于A8處；在傾向方向上，最大負曲率0.048 6×10-3/m位于B7和B8中間處。

4 巖層與地表變形機理分析

4.1 關鍵層判別原理

在礦山開采沉陷中，闡明采動地表與覆巖損傷機理，應分析研究關鍵層的破斷運動規(guī)律，對關鍵層的位置進行辨別。假設上覆巖層的荷載每層均為均勻分布，并設煤層的上覆巖層中有m層巖層，巖層上部為地表松散層，其荷載為q，覆巖每層厚度為hi(i=1，2，3，….，m)。

關鍵層判別時應滿足剛度和強度條件，若直接頂為第一層關鍵層，其控制的巖層達到第n層，則第n+1巖層即為第二層關鍵層，須符合式(1)、式(2)條件[10-11]：

q1|n>q1|n+1

(1)

l1

(2)

式中 ,q1|n為第1層為關鍵層控制到n層巖層時所受荷載；q1|n+1為控制到第n+1層時第1層所受荷載；l1與ln+1分別為第1層與n+1層破斷距。

關鍵層判別方法：計算關鍵層所受荷載,直接頂只控制自身時所承受的荷載：

q1|n=r1h1

(3)

直接頂控制到第n層巖層時所承受的荷載為：

(4)

式中，Ei為第i層覆巖的彈性模量；hi為第i層覆巖的厚度；ri為第i層覆巖的容重。

則第n+1層巖層為第2層關鍵層，其剛度判別公式為：

(5)

4.2 關鍵層破斷距確定

按固支梁模型進行計算[12-14]，其計算公式為：

(6)

式中,h為巖層的厚度；RT為巖層的抗拉強度；q為層巖層承受的荷載。

當準關鍵層符合式(5)后，再按式(6)計算周期破斷距。若準關鍵層的周期破斷距大于其緊鄰下層待定關鍵層的破斷距，則其為關鍵層；反之，不是關鍵層。

4.3 11141工作面關鍵層判別

根據(jù)地質資料和鉆孔資料，確定11141工作面的巖性參數(shù)，見表2[15]。確定11141工作面上方覆巖關鍵層步驟如下。

(1)荷載計算。按式(5)計算可得：q1|1

表2 11141工作面煤系地層巖性參數(shù)Tab.1 Coal measures strata and lithologicparameters of 11141 working face

(2)破斷距計算。將7層準關鍵層代入公式(6)計算，得到破斷距結果，見表3。

表3 11141工作面關鍵層識別Tab.3 Identify key stratum calculation of 11141 working face

需要說明的是，第1次計算破斷距時，l23

5 地表下沉特征分析

5.1 地表彎曲型下沉機理

在工作面推進過程中，最下部的基巖關鍵層由于缺少下部支撐而首先發(fā)生彎曲變形，當基巖最上部的控制層處于彈塑性狀態(tài)而不發(fā)生斷裂時，與下部垮落和彎曲的巖體產(chǎn)生離層[16-20]。此時，地表為彎曲型下沉，下沉值是彈塑性彎曲量。在這種情況下，地表下沉的特點是下沉量小，下沉盆地較緩，如圖8所示。L為工作面采空區(qū)長度；lb為基巖最頂部關鍵層懸空長度；H′為基巖最頂部關鍵層到煤層的垂直深度；d為基巖最頂部關鍵層厚度；ψ為上覆基巖破斷角；h′為地表松散層厚度。

圖8 彎曲型下沉關鍵層破壞示意Fig.8 Key layer diagram of curved sinking

5.2 11141工作面地表下沉模式分析

11141工作面采動程度走向充分，傾向為非充分，所以下沉模式分析主要考慮傾向采動對關鍵層的影響。梁北礦區(qū)基巖破斷角約為64°，經(jīng)計算，采動影響高度h1為139.4 m。根據(jù)前面計算分析可知，11141工作面共有3層關鍵層距采空區(qū)高度均超過采動高度139.4 m，所以關鍵層處于彈塑性狀態(tài)而不發(fā)生斷裂，與下部巖體產(chǎn)生離層，地表下沉值僅為彈塑性彎曲量，由此解釋了11141工作面地表最大下沉量僅為153 mm的原因，如圖9所示。

6 結論

(1)開展了11141工作面上方地表移動觀測站建站和實測工作，根據(jù)實測數(shù)據(jù)，分析了“三軟”煤層綜放開采地表移動變形特征。

圖9 11141工作面傾向覆巖破壞示意Fig.9 Strata damage schematic diagram of 11141 tendency

(2)基于關鍵層理論，闡明了巖層與地表移動變形機理，確定了11141開采工作面3層關鍵層，其中，51粗粒砂巖為主關鍵層；36粉砂巖，距采空區(qū)高度255.35 m，為亞關鍵層；46粉砂巖為亞關鍵層，距采空區(qū)高度203.15 m。

(3)分析了11141開采工作面下沉模式，指出11141工作面開采后地表下沉僅為彎曲型下沉，其下沉量僅為上層關鍵層發(fā)生的輕微彈性形變，揭示了采后地表最大下沉量偏小原因。