81621工作面開采地表沉陷變形規(guī)律探析

崔 鑫

（晉能控股煤業(yè)集團大斗溝煤業(yè)公司，山西 大同 037003）

在井下開采過程中，松散層的開采沉陷問題比較嚴重。由于松散層的結(jié)構(gòu)與上伏巖層存在較大差異，在采動過程中，松散層不僅會出現(xiàn)固結(jié)壓縮變形，還會對覆巖造成破壞，加劇其沉陷變形［1-3］。具體表現(xiàn)有：地面下沉系數(shù)大于1、沉陷范圍加大、地表劇烈移動等，使地表居民的生命財產(chǎn)受到嚴重威脅。因此，重點研究松散層因采動產(chǎn)生的地表沉陷規(guī)律特征，可為安全開采提供保障。

1 地質(zhì)概況

大斗溝礦14#煤層81621工作面設(shè)計走向長度1 400 m，工作面寬度180 m，走向長壁開采，開采煤層厚度2.56～4.22 m，煤層傾角2°～6°，煤層整體比較松軟，煤層底板標高-485～-495 m，采用全部垮落法管理頂板。14#煤層上距松散層為48.94 m，煤層老頂是細砂巖和粗砂巖，厚度為5.9～13.81 m；直接頂為灰色粉、細砂巖互層，厚度為0.8～3.65 m，裂隙發(fā)育，頂板容易垮落；偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚度0.2～0.78 m；底板的巖性粉砂巖，厚度為1.0～2.0。

2 地表沉陷數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型

為了研究煤層覆巖遭到開采破壞后的地表變形情況，采用離散元數(shù)值模擬軟件分析地表的沉陷變形規(guī)律［4-5］，建立長度為500 m，高度為225 m的數(shù)值模型，其中，以模型的左右邊界為水平方向，模型的底部邊界為垂直方向，模型的上部區(qū)域作為數(shù)值模擬的自由邊［6］。

2.2 模擬方案及結(jié)果分析

對不同推進距離下的地表變形情況進行模擬，得到工作面覆巖形態(tài)及對應(yīng)的位移云圖，如圖1所示，工作面地表下沉曲線如圖2所示。

從圖1可以看出，工作面每推進50 m，得到一次模擬結(jié)果，共推進200 m。由于煤層頂板的厚度較大，在工作面推進50 m時，出現(xiàn)直接頂斷裂或垮落現(xiàn)象。而在基本頂上方出現(xiàn)砌體梁結(jié)構(gòu)，上下兩層之間出現(xiàn)離層，但沒有發(fā)生斷裂［7］。在工作面推進100 m時，基本頂出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，引起頂板發(fā)生位移變形，進而引發(fā)地表出現(xiàn)沉陷。工作面推進距離大于150 m后，地表沉陷值達到最大。

圖1 工作面不同推進距離下覆巖的形態(tài)及位移云圖

圖2 工作面推進下沉曲線

從圖2可以看出，隨著工作面推進距離的增加，推進速度也在不斷增大，加速了覆巖層的沉陷，縮短了巖層懸空時間，再加上開采的高度比較大，煤層開采產(chǎn)生的垮落帶和斷裂帶的寬度會逐漸增加，彎曲下沉段逐漸減小，這些都造成地表產(chǎn)生集中移動變形［8］。

3 工程應(yīng)用

從數(shù)值模擬結(jié)果及現(xiàn)場地表沉陷變形數(shù)據(jù)來看，81621工作面因煤層厚度較大，在開采過程中容易造成地表沉陷變形［9］。

在工作面上方對應(yīng)的地表位置共布置3條觀測線，其中觀測線A和B沿工作面走向方向布置，觀測線C沿工作面傾向布置。觀測線A的長度為1 400 m，相鄰兩個測點之間的距離為20 m，共布設(shè)3個控制點，71個測點，編號為Z1-Z71。觀測線B的長度為200 m，相鄰兩個測點之間的距離為20 m，共布設(shè)3個控制點，10個測點，編號為Z72-Z82。觀測線C的長度為849 m，相鄰兩個測點之間的距離為25 m，共布設(shè)3個控制點，34個測點，編號為Q1-Q34。測點布置如圖3所示。

圖3 工作面測點布置

3.1 主要參數(shù)

在不同時間段內(nèi)，由于采動過程的各個參數(shù)不盡相同，根據(jù)地表沉降量、曲線斜率、曲率、地表水平位移值及水平變形值等參數(shù)的變化，分析地表變形規(guī)律［10］。其中，通過高程值來表示地表沉降量，用多次測量得到的高程值減去初始高程值，得出地表沉降量；用兩測點間的沉降量除以兩測點間的距離得出曲線斜率；用相鄰兩段曲線的斜率之差除以相鄰兩段曲線水平距離之差得出曲率；用多次測量的控制點水平距離減去第一次測量的控制點水平距離得出地表水平位移值；用多次測量的觀測點水平距離除以第一次測量的觀測點水平距離得出地表水平變形值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上述方法得到各相關(guān)參數(shù)，并對數(shù)據(jù)進行分析，繪制出實測地表沉陷變形曲線走向如圖4所示，地表沉陷變形曲線傾向如圖5所示。

從圖4可以看出，在工作面推進140 m時，測點Z42到測點Z22的下沉量出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其中測點Z32的下沉量最大，最大為2 800 mm。在最近2次測量中，測點Z30到測點Z1的下沉量基本接近，下沉量最大為3 600 mm，其中，測點Z11在兩次測量中的下沉量變化最大，兩次測量的下沉量差值為27.6 mm，其余測點的下沉量差值都小于Z11測點，可以認為走向觀測線基本穩(wěn)定。

從圖5可以看出，在工作面推進140 m時，測點Q34到測點Q1的下沉量出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，測點Z13的下沉量最大，最大為3 500 mm。在最近1次測量中，測點出現(xiàn)2次下沉拐點，第一次在測點Q30的下沉量最大，最大為3 691 mm；第二次是測點Z13的下沉量最大，最大為3 800 mm。由于兩次觀測的最大下沉量基本保持不變，因而可忽略第一個下沉拐點?？梢钥闯?，觀測線兩端的下沉速度較小，中間下沉速度較大；隨著工作面的不斷推進，觀測線的下沉速度變化較小，可以認為傾向觀測線基本穩(wěn)定。

圖5 地表沉陷變形曲線傾向

3.3 規(guī)律分析

（1）根據(jù)觀測結(jié)果，由于工作面推進速度較快，會加速上覆巖層的垮落速度，地表沉陷變形活躍，整體分布比較集中，造成沉降盆地。

（2）由于地表沉陷變形具備松散層特征，根據(jù)沉陷變形曲線，以拐點作為地表移動變形的分界線，觀測線兩端的下沉速度小、變形曲線斜率?。欢虚g下沉速度大、變形曲線斜率大，沒有出現(xiàn)明顯的變形臺階。

（3）隨著工作面推進速度的增加，地表沉陷變形速度也在增加，且沉陷變形的速度越大，變形時間段越集中。

4 結(jié)論

1）隨著工作面推進距離的增加，推進速度也在不斷增大，加速了覆巖層的沉陷，縮短了巖層懸空時間，再加上開采的高度比較大，垮落帶和斷裂帶的寬度逐漸增加，彎曲下沉段逐漸減小，造成地表移動變形集中，可以用來研究地表沉陷變形規(guī)律。

2）通過仿真數(shù)值模擬，對大斗溝礦81621工作面的地表沉陷進行仿真。結(jié)果表明，地表在短時間內(nèi)達到最大下沉量，之后下沉量逐漸減小且達到穩(wěn)定。

3）工作成果對類似條件的工作面開采具體參考價值。