弱膠結(jié)地層重復(fù)采動(dòng)條件下地表最大沉降模型研究及應(yīng)用

郭文兵 ，韓明振 ，楊偉強(qiáng) ，馬志寶

（1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院, 河南 焦作 454000；2.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心, 河南 焦作 454000）

0 引 言

我國(guó)西部礦區(qū)煤炭質(zhì)量?jī)?yōu)良、可采煤層多、開采條件優(yōu)越，煤炭資源儲(chǔ)量占全國(guó)煤炭資源總量的70%以上，處于我國(guó)基礎(chǔ)能源供給的核心位置[1]。近年來(lái)，西部煤炭的開采深度逐漸由淺部煤層進(jìn)入到深部煤層，主采煤層也由第一層陸續(xù)進(jìn)入到下部第二層、第三層的開采階段[2]。西部礦區(qū)弱膠結(jié)地層與中東部礦區(qū)的巖層物理力學(xué)性能之間存在著明顯的差異，即弱膠結(jié)巖石具有強(qiáng)度低、膠結(jié)性差、遇水泥化、強(qiáng)碎脹、強(qiáng)崩解的特性[3]。同時(shí)西部礦區(qū)具有煤層厚度大、多煤層開采、煤層間距小等特點(diǎn)，使得在下層煤開采過程中采空區(qū)覆巖破壞及地表沉降表現(xiàn)出不同特征。目前，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在弱膠結(jié)地層物理特性及采動(dòng)影響方面進(jìn)行了大量研究，取得了豐富的成果。

在弱膠結(jié)巖石物理特性方面，趙永川等[4]通過對(duì)我國(guó)西部礦區(qū)不同粒徑的弱膠結(jié)砂巖進(jìn)行了不同應(yīng)力路徑下的三軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)，得到了弱膠結(jié)砂巖的塑性應(yīng)變能和塑性變形變化規(guī)律；孟慶彬等[5]通過巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，獲得了泥質(zhì)弱膠結(jié)軟巖的物理與力學(xué)特性；李回貴等[6]以布爾臺(tái)煤礦覆巖中弱膠結(jié)砂巖為研究對(duì)象，對(duì)3 種砂巖試樣進(jìn)行分析及試驗(yàn)，明確了弱膠結(jié)砂巖的物理力學(xué)特征及定義。在弱膠結(jié)覆巖破斷及地表沉降方面，張洪彬等[7]利用數(shù)值模擬軟件，對(duì)上覆弱膠結(jié)頂板的破斷規(guī)律進(jìn)行研究，提出了“類基本頂”的概念；于斌[8]采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法，建立了多煤層破斷頂板群結(jié)構(gòu)演化模型；范立民等[9-10]采用遙感結(jié)合地面調(diào)查系統(tǒng)分析了我國(guó)西部礦區(qū)高強(qiáng)度開采地表塌陷現(xiàn)狀及發(fā)育特征；馬軍前等[11]通過相似模擬試驗(yàn)，研究了弱膠結(jié)地層采動(dòng)后的覆巖破斷及裂隙發(fā)育規(guī)律；李楊等[12]通過理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在西部地區(qū)下組煤開采過程中，厚而硬的中間巖層的破斷對(duì)上覆巖層移動(dòng)起著決定性的作用；ZHANG Guojian 等[13-14]采用數(shù)值模擬與相似模擬試驗(yàn)，得到巨厚弱膠結(jié)覆巖的破壞模式為“梁-拱殼”，破壞邊界為拱形的結(jié)論；陳凱等[15]利用數(shù)值模擬軟件，分析了弱膠結(jié)覆巖采動(dòng)裂隙網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育特征，發(fā)現(xiàn)西部礦區(qū)巨厚煤層在分層開采條件下的覆巖裂隙發(fā)育和擴(kuò)展具有良好的自相似性。

綜上所述，相關(guān)學(xué)者對(duì)弱膠結(jié)地層開采的研究主要集中于弱膠結(jié)巖石的特性、弱膠結(jié)地層開采上覆巖層破斷特征研究，但對(duì)于弱膠結(jié)地層重復(fù)采動(dòng)條件下的地表沉降問題有所忽略。在前人的研究基礎(chǔ)之上，通過對(duì)采動(dòng)弱膠結(jié)巖石碎脹性及重復(fù)采動(dòng)條件下地表沉降機(jī)制進(jìn)行分析，嘗試建立了“弱膠結(jié)地層礦區(qū)重復(fù)采動(dòng)條件下的地表沉降模型”，并結(jié)合相似模擬及數(shù)值模擬方法，分析了弱膠結(jié)地層重復(fù)采動(dòng)覆巖運(yùn)移及地表沉降特征，為弱膠結(jié)地層礦區(qū)重復(fù)采動(dòng)下安全高效開采提供參考。

1 工程概況

1.1 地理位置與自然地理

大煤溝煤礦地處柴達(dá)木盆地北緣東部，達(dá)肯大坂山東南，行政區(qū)劃屬青海省海西州大柴旦鎮(zhèn)管轄，地理坐標(biāo)：東經(jīng)96°00′13″～96°02′18″；北緯37°31′11″～37°32′18″。海拔高度為+3 440～+3 645 m，同時(shí)煤礦地表生態(tài)環(huán)境脆弱，干旱缺水。工作面對(duì)應(yīng)地面為荒山，地形復(fù)雜，沖溝發(fā)育，無(wú)建筑、河流、村莊及其它設(shè)施。

1.2 弱膠結(jié)地層條件

我國(guó)西部礦區(qū)煤炭資源大多位于白堊系與侏羅系地層中，這類地層被稱為弱膠結(jié)地層，其成巖環(huán)境、成巖年代以及沉積過程都具有特殊性，且煤層頂?shù)装宥嘁阅鄮r、頁(yè)巖、泥質(zhì)砂巖、泥砂巖互層等巖性為主。大煤溝礦區(qū)地層主要以中生代侏羅系、新生代古近系及第四系為主，煤系基底為前震旦系地層。大煤溝井田內(nèi)，侏羅系地層沉積較全，井田內(nèi)地層從下到上為中下侏羅系小煤溝組、大煤溝組、石門溝組和采石嶺組，其中礦區(qū)內(nèi)含煤地層為大煤溝組，礦井內(nèi)主要開發(fā)利用的煤層為大煤溝組的F 煤組，其上覆巖層多為弱膠結(jié)地層。

1.3 工作面開采條件

礦區(qū)主要可采煤層為F2和F1兩層，F(xiàn)1煤層是F煤組的下分層，平均厚度8.0 m，直接頂為細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖，底部黑色及灰色泥巖，平均厚3 m，基本頂為F2煤層，平均厚度6.0 m。以F111050 綜放工作面為研究對(duì)象，F(xiàn)111050 工作面位于礦井一水平東翼中部，南鄰F111030 工作面采空區(qū)，北為F211070 工作面采空區(qū)，上部為F211050 工作面采空區(qū)，西為井筒煤柱，東為井田保護(hù)煤柱。F111050 工作面巷道布置如圖1 所示。

圖1 F1 11050 工作面巷道布置Fig.1 F1 11050 working face roadway layout

F111050 工作面上覆巖層綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P=0.79，巖性影響系數(shù)D為2.2，為軟弱巖層[16]。開采條件為：工作面走向長(zhǎng)度760 m，傾向長(zhǎng)度220 m；平均采深為324 m；煤層傾角平均14.6°；采用全部垮落法處理采空區(qū)頂板，礦區(qū)綜合柱狀如圖2 所示。

圖2 礦區(qū)綜合柱狀Fig.2 Comprehensive histogram of mining area

2 弱膠結(jié)地層重復(fù)采動(dòng)條件下地表沉降特征分析

弱膠結(jié)地層條件下重復(fù)采動(dòng)地表沉降特征，區(qū)別于一般地質(zhì)采礦地質(zhì)條件下重復(fù)采動(dòng)引起地表沉降特征，主要原因可歸結(jié)為弱膠結(jié)巖石特殊的物理力學(xué)特性及重復(fù)采動(dòng)的采礦條件。因此對(duì)于弱膠結(jié)地層重復(fù)采動(dòng)條件下地表沉降特征分析主要從弱膠結(jié)巖石的物理力學(xué)特性及重復(fù)采動(dòng)條件下地表沉降機(jī)制兩個(gè)方面進(jìn)行分析，并最終建立“弱膠結(jié)地層礦區(qū)重復(fù)采動(dòng)條件下地表沉降模型”。

2.1 弱膠結(jié)巖石碎脹性分析

通過重復(fù)采動(dòng)條件下地表沉降特征分析可知，重復(fù)采動(dòng)條件下地表最大下沉值與巖層的碎脹性有關(guān)。因此本小節(jié)對(duì)于弱膠結(jié)巖石的物理力學(xué)特性的研究主要集中于其碎脹性。

煤層采出后，上覆巖石會(huì)先后經(jīng)歷原巖狀態(tài)、破碎狀態(tài)、壓實(shí)狀態(tài)、穩(wěn)定狀態(tài)，但是不會(huì)再次恢復(fù)到原巖狀態(tài)。這個(gè)過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，所以巖石的碎脹系數(shù)不是固定值，而是隨著巖石的狀態(tài)變化而變化。研究表明[17]：巖石的碎脹系數(shù)開始以線性關(guān)系降低，之后會(huì)緩慢減小，直至趨于殘余碎脹系數(shù)。多煤層開采時(shí)巖石的碎脹規(guī)律為[18]：初次采動(dòng)時(shí)，上覆巖石的碎脹系數(shù)隨著離煤層的距離減小而增大；重復(fù)采動(dòng)時(shí)，上覆巖石的碎脹系數(shù)隨著離煤層的距離減小而減小。

而弱膠結(jié)巖石由于自身的力學(xué)性能與普通巖石存在差異，所以兩者的碎脹系數(shù)也不同。孫利輝[19]通過試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)弱膠結(jié)巖石破碎后具有很大的碎脹性，初始碎脹系數(shù)較大，最大值接近2，殘余碎脹系數(shù)普遍在1.05～1.10。弱膠結(jié)巖石碎脹系數(shù)與普通巖石碎脹系數(shù)存在如下關(guān)系[19]：

式中：K0為弱膠結(jié)巖石碎脹系數(shù)；K為普通巖石碎脹系數(shù)；k1為巖石膠結(jié)系數(shù)；k2為巖石崩解強(qiáng)弱參數(shù)。

2.2 重復(fù)采動(dòng)條件下地表沉降機(jī)制

煤層開采以后，巖層破壞由下向上傳遞，最終在地表形成盆地。重復(fù)采動(dòng)的覆巖運(yùn)移特征不同于初次采動(dòng)，因此重復(fù)采動(dòng)條件下與初次采動(dòng)條件下的地表的沉降特征也將不同。

基于上述分析，對(duì)重復(fù)采動(dòng)條件下地表沉降特征的分析，離不開對(duì)重復(fù)采動(dòng)條件下覆巖運(yùn)移規(guī)律的研究。煤層初次開采后，采出空間由巖石的碎脹、離層裂縫以及地表下沉3 部分的空間所占據(jù)[20]。當(dāng)多煤層開采時(shí)，一般采用下行開采方式。如圖3 所示，上層煤開采結(jié)束后，表土層彎曲下沉，abcd范圍內(nèi)的巖石垮落破斷產(chǎn)生碎脹；下層煤開采結(jié)束后，上覆巖層已垮落破斷的巖石碎脹量減小，efpq范圍內(nèi)的巖石垮落破斷產(chǎn)生碎脹，導(dǎo)致地表下沉值增大。圖3 中ε01為初采時(shí)巖體內(nèi)最大碎脹量，z為以地表為坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)的坐標(biāo)，忽略上層煤開采時(shí)對(duì)底板的破壞，則下層煤開采后，地表最大下沉值[21]為

式中：m1和m2分別為上層煤和下層煤的采厚，m；ε02為復(fù)采時(shí)巖體內(nèi)最大碎脹量，同一采區(qū)內(nèi)地層相近，可假定ε01=ε02；H1和H2分別為上層煤和下層煤的采深，m；h為表土層厚度，m；k為復(fù)采下沉影響系數(shù)（多煤層開采時(shí)k為常數(shù)），k可通過初采的采深、采厚及表土層厚度回歸得到的關(guān)系式求得；q1為初次采動(dòng)下沉系數(shù)。

2.3 弱膠結(jié)地層重復(fù)采動(dòng)地表沉降模型

基于對(duì)弱膠結(jié)巖石的碎脹性及重復(fù)采動(dòng)地表沉降機(jī)制分析可知，弱膠結(jié)巖石與普通巖石對(duì)地表沉降的影響主要在于碎脹系數(shù)的不同，所以將弱膠結(jié)巖石的碎脹系數(shù)代入到重復(fù)采動(dòng)最大下沉值預(yù)測(cè)公式中，可得到弱膠結(jié)地層重復(fù)采動(dòng)地表最大下沉值預(yù)測(cè)公式：

根據(jù)上述模型，得出弱膠結(jié)巖石的碎脹系數(shù)與重復(fù)采動(dòng)地表最大下沉量之間的關(guān)系以及下層煤的采厚與重復(fù)采動(dòng)地表最大下沉值之間的關(guān)系，分別如圖4、圖5 所示。

圖5 下層煤采厚與重復(fù)采動(dòng)地表最大下沉值的關(guān)系Fig.5 Relationship between lower coal mining thickness and the maximum surface subsidence value of repeated mining

由圖4 可知：當(dāng)下層煤的采厚一定時(shí)，弱膠結(jié)巖石的碎脹系數(shù)與重復(fù)采動(dòng)地表最大下沉量之間呈線性關(guān)系，隨著碎脹系數(shù)的增加，地表最大下沉值逐漸減少。殘余碎脹系數(shù)普遍在1.05～1.1，初始碎脹系數(shù)較大，最大值接近2。

由圖5 可知：當(dāng)弱膠結(jié)巖石的碎脹系數(shù)一定時(shí)，下層煤的采厚與重復(fù)采動(dòng)地表最大下沉值之間呈線性關(guān)系，隨著下層煤采厚的增加，地表最大下沉值逐漸增加。采厚為0 時(shí)，地表最大下沉理論值為0；采厚為m2時(shí)，重復(fù)采動(dòng)后的地表最大下沉理論值為w2。

3 物理相似模擬研究

3.1 相似模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以大煤溝煤礦F2煤層和F1煤層賦存條件為地質(zhì)背景，煤巖物理力學(xué)參數(shù)的選取依據(jù)大煤溝煤礦煤巖物理力學(xué)參數(shù)研究報(bào)告。根據(jù)試驗(yàn)儀器空間和相似準(zhǔn)則，結(jié)合試驗(yàn)原型，確定試驗(yàn)?zāi)Ｐ弯佈b尺寸(長(zhǎng)×寬×高) = 4.0 m×0.3 m×1.7 m。

1）相似比確定，見表1。

表1 相似模擬試驗(yàn)主要相似比Table 1 Main similarity ratio of similar simulation test

2）相似材料選擇與配比。模型鋪裝至地表，在模型鋪裝過程中采用的主要材料為：河沙、碳酸鈣、熟石膏、水、云母粉（分層材料），在煤層鋪裝過程中混入一定比例的粉煤灰。

3）模型開采方案。2 層煤工作面開采長(zhǎng)度均設(shè)為320 cm，為消除邊界效應(yīng)影響，模型兩側(cè)均留設(shè)寬40 cm 煤柱。本次試驗(yàn)?zāi)M開采F2煤層和F1煤層，模型中F2煤采高為3 cm，F(xiàn)1煤采高為4 cm，兩層煤中間為厚1.5 cm 的泥巖。試驗(yàn)分步進(jìn)行，先從右至左開采F2煤層工作面，待上方巖層逐漸趨于穩(wěn)定，然后從右至左開采F1煤層工作面觀察重復(fù)采動(dòng)對(duì)上方巖層及地表穩(wěn)定性的影響。

4）監(jiān)測(cè)方案。試驗(yàn)采用光學(xué)攝影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)模型表面預(yù)先設(shè)置的非編碼及編碼點(diǎn)進(jìn)行沉降信息監(jiān)測(cè)。開采前模型如圖6 所示。

3.2 相似模擬結(jié)果及分析

當(dāng)F2煤層推進(jìn)50 m 時(shí)，直接頂初次垮落，開切眼處破斷角為56°。隨著工作面的不斷推進(jìn)，周期來(lái)壓步距不等，平均為30 m，上覆巖層共發(fā)生16 次周期性垮落，周期破斷角為53°～66°，如圖7 所示。待F2煤層工作面回采結(jié)束，上覆巖層趨于穩(wěn)定后，從右至左推進(jìn)F1煤層工作面。

如圖8 所示，當(dāng)F1煤層推進(jìn)20 m 時(shí)，直接頂發(fā)生彎曲；推進(jìn)30 m 時(shí)，直接頂初次垮落，上下2 層煤采空區(qū)垮落帶貫通；推進(jìn)240 m 時(shí)，離層裂隙發(fā)育至主關(guān)鍵層。隨著F1煤層不斷回采，共發(fā)生60 次周期性垮落，周期性垮落步距8～12 m，平均為10 m。

圖8 重復(fù)采動(dòng)過程中覆巖破壞情況Fig.8 Overburden destruction during repeated mining

綜合分析相似模擬試驗(yàn)過程可知：上層煤開采結(jié)束后，上覆弱膠結(jié)地層經(jīng)歷巖石垮落、離層裂縫、以及地表下沉等移動(dòng)變形，導(dǎo)致整個(gè)上覆巖層的原始狀態(tài)被破壞，整體強(qiáng)度也隨之減小；隨著下層煤的開采，垮落帶貫通上層煤采空區(qū)，上覆巖層再次垮落壓實(shí)，且初次采動(dòng)后殘留的離層裂縫、巖石孔隙等發(fā)生閉合，進(jìn)而導(dǎo)致地表下沉進(jìn)一步增大。采動(dòng)過程中地表下沉曲線如圖9、圖10 所示。

圖9 初次采動(dòng)過程中地表下沉Fig.9 Surface subsidence during initial mining

觀察地表下沉曲線可知，當(dāng)上層煤開采結(jié)束后，地表最大下沉值為2 845 mm，下沉系數(shù)為0.47。下層煤的開采使得上覆巖層受到重復(fù)采動(dòng)影響，導(dǎo)致地表下沉位移量增大，地表最大下沉值為6 913 mm，下沉系數(shù)為0.86。根據(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》中的巖性與預(yù)測(cè)參數(shù)相關(guān)關(guān)系表可知：軟弱覆巖的下沉系數(shù)為0.85～1.00，相似模擬初采下沉系數(shù)與之不符，而復(fù)采下沉系數(shù)與之相符。由于弱膠結(jié)巖石物理力學(xué)性質(zhì)的特殊性及其開采過程中覆巖形成結(jié)構(gòu)的影響，重復(fù)采動(dòng)時(shí)地表出現(xiàn)臺(tái)階式下沉，導(dǎo)致地表有抬升現(xiàn)象，且地表下沉呈非對(duì)稱性分布，在地表下沉圖中表現(xiàn)為不同推進(jìn)距離的最大下沉值偏于開切眼側(cè)。

4 數(shù)值模擬

4.1 數(shù)值模型建立

采用3DEC 數(shù)值模擬軟件，建立了長(zhǎng)度為1 200 m，高度為450 m、寬度1 m 的數(shù)值模擬計(jì)算模型，如圖11 所示。當(dāng)工作面在走向上達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)，覆巖破壞最為嚴(yán)重，即導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育到最大高度，此時(shí)地表下沉達(dá)到理論最大值，所以不再對(duì)工作面傾向上的地表最大下沉進(jìn)行考慮。設(shè)計(jì)煤層埋深H0為324 m，為保證工作面在走向達(dá)到充分采動(dòng)，設(shè)計(jì)開挖長(zhǎng)度為760 m，并在兩側(cè)各留220 m 巖體。模擬方案按照多煤層下行式開采方法，在上層煤開采完成后下層煤按每次開挖40 m，分19 步開挖完成。在地表位置布置1 條橫向測(cè)線，記錄開挖過程中不同推進(jìn)距離的地表下沉值。

模型邊界條件：模型頂部建立至地表，上邊界為自由邊界，左右邊界固定x方向位移；前后邊界固定y方向位移；底部邊界固定z方向位移。

數(shù)值模型中煤巖層本構(gòu)關(guān)系采用莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，節(jié)理的本構(gòu)模型選為面接觸的庫(kù)侖滑移模型。根據(jù)大煤溝煤礦煤巖物理力學(xué)參數(shù)研究報(bào)告和模型校對(duì)，確定上覆巖層的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 巖石物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Petro physical and mechanical parameters

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

在F2煤工作面回采結(jié)束后，推進(jìn)過程中已經(jīng)發(fā)育的上覆離層閉合，初采殘余離層存在于開切眼和回采結(jié)束位置處，上覆巖層“三帶”分布明顯，如圖12所示。

圖12 初次采動(dòng)回采結(jié)束Fig.12 End of initial mining

初次采動(dòng)時(shí)的覆巖離層高度發(fā)育過程如圖13a所示：F2煤工作面上覆巖層共經(jīng)歷3 次大面積垮落，離層發(fā)育高度呈階梯狀上升，且最高位置位于煤層上方171.7 m 處。隨著F1煤工作面的推進(jìn)，重復(fù)采動(dòng)時(shí)的覆巖離層高度發(fā)育過程與初次采動(dòng)時(shí)基本一致，如圖13b 所示：當(dāng)工作面向前推進(jìn)80 m 時(shí)，煤層頂板發(fā)生初次垮落，煤層上方44.5 m 處出現(xiàn)離層（圖14a）；推進(jìn)至200 m 時(shí)，上方巖層進(jìn)一步發(fā)生大面積運(yùn)移，離層高度向上發(fā)育，在煤層上方72.4 m 處出現(xiàn)離層（圖14b）；隨著工作面開挖至240 m 時(shí)，離層高度再次向上發(fā)育，在煤層上方172.2 m 處出現(xiàn)新的離層（圖14c）；并且在開挖240～760 m 過程中，離層未再向上發(fā)育，回采結(jié)束后，地表存在地裂縫（圖14d）。因此受采動(dòng)影響，上覆巖層離層發(fā)育的最高位置為172.2 m。綜合圖13 和圖14 分析可得：重復(fù)采動(dòng)離層發(fā)育高度隨工作面推進(jìn)呈現(xiàn)階梯狀上升，同時(shí)由于上覆巖層屬于弱膠結(jié)地層，且重復(fù)采動(dòng)后更容易發(fā)生破壞，因此離層發(fā)育較高。

圖14 工作面推進(jìn)過程覆巖豎向位移Fig.14 Vertical displacement of overburden during working face propulsion

通過數(shù)值模擬橫向測(cè)線提取出的豎直位移數(shù)據(jù)，繪制出不同推進(jìn)距離過程中地表下沉曲線，如圖15所示。

圖15 工作面推進(jìn)過程覆巖豎直位移監(jiān)測(cè)Fig.15 Overburden vertical displacement monitoring during working face propulsion

由圖15a 可知，初次采動(dòng)時(shí)的地表下沉曲線呈對(duì)稱性分布，且最大下沉位置隨著工作面的推進(jìn)，逐漸向采空區(qū)中線位置移動(dòng)。由圖15b 可知，重復(fù)采動(dòng)時(shí)的地表下沉曲線前期對(duì)稱分布，后期非對(duì)稱分布，最大下沉位置偏于開切眼側(cè)；下沉曲線前期下沉速率緩慢，中期加快，后期緩慢，這是由于弱膠結(jié)巖石的碎脹特性，即巖石的碎脹系數(shù)開始以線性關(guān)系降低，之后會(huì)緩慢減小，直至趨于殘余碎脹系數(shù)；開切眼及工作面回采結(jié)束位置地表出現(xiàn)臺(tái)階裂縫，導(dǎo)致地表抬升，這與相似模擬結(jié)果相符合。

5 工程應(yīng)用

5.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置

本觀測(cè)站為剖面線狀普通地表移動(dòng)觀測(cè)站，并且在地表移動(dòng)盆地的主斷面上。由于現(xiàn)場(chǎng)地形復(fù)雜，實(shí)際布設(shè)觀測(cè)點(diǎn)十分困難，所以將設(shè)計(jì)的觀測(cè)點(diǎn)投影到附近的礦區(qū)公路上，便于觀測(cè)點(diǎn)的布設(shè)，并且不影響觀測(cè)效果。實(shí)際布設(shè)點(diǎn)位如圖16 所示，工作面走向方向布置10 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的編號(hào)分別為A1、A2、A3、···、A10；工作面傾向方向上布置18 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的編號(hào)分別為B1、B2、B3、···、B18。

圖16 工作面觀測(cè)站點(diǎn)位布設(shè)Fig.16 Position layout map of working face observation station

5.2 地表沉降預(yù)測(cè)

根據(jù)式（3），其中，K0取1.1；k取0.1；q1為0.5；m2為8 m；H1為315 m；H2為324 m；h為6 m。代入各參數(shù)可得，弱膠結(jié)地層礦區(qū)重復(fù)采動(dòng)地表最大下沉值w=6.813 m，并根據(jù)該值進(jìn)行概率積分法預(yù)計(jì)。

由于工作面尚未回采結(jié)束，所以預(yù)計(jì)分為2 個(gè)方案（圖17）。方案1：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)時(shí)的回采位置，即至2021 年9 月工作面已推進(jìn)258 m，進(jìn)行地表沉陷的概率積分法預(yù)計(jì)分析；方案2：對(duì)回采結(jié)束后的工作面進(jìn)行地表沉陷的概率積分法預(yù)計(jì)分析。對(duì)地表任意點(diǎn)的移動(dòng)和變形值進(jìn)行計(jì)算，得到地表下沉等值線，如圖17 所示，地表移動(dòng)變形最大值見表3。

表3 地表移動(dòng)變形最大值Table 3 Maximum surface movement deformation

圖17 地表下沉等值線Fig.17 Surface subsidence contour map

5.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果及分析

2021 年9 月部分觀測(cè)點(diǎn)的地表下沉值與預(yù)計(jì)等值線位置見表4。

表4 觀測(cè)點(diǎn)的地表下沉值與等值線位置Table 4 Surface subsidence value and contour position of observation points

將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與概率積分法預(yù)計(jì)結(jié)果對(duì)比，可知：實(shí)測(cè)值符合方案1 的預(yù)計(jì)范圍，其中測(cè)點(diǎn)A1為走向最大下沉位置，實(shí)測(cè)與預(yù)計(jì)下沉值相差11 mm，測(cè)點(diǎn)A2 相差8 mm。測(cè)點(diǎn)B7 為傾向最大下沉位置，實(shí)測(cè)與預(yù)計(jì)下沉值相差23 mm，測(cè)點(diǎn)B6 相差32 mm，測(cè)點(diǎn)B11 相差40 mm。實(shí)測(cè)與預(yù)計(jì)結(jié)果最小誤差為8 mm，最大誤差為40 mm。

利用理論計(jì)算下沉系數(shù)進(jìn)行概率積分法預(yù)計(jì)，預(yù)計(jì)得到的地表下沉值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值相近，驗(yàn)證了概率積分法預(yù)計(jì)的可靠性；對(duì)下層煤回采結(jié)束后進(jìn)行預(yù)計(jì)，得到的地表最大下沉預(yù)計(jì)值可為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作提供參考依據(jù)。

6 結(jié) 論

1）通過理論分析，建立了“弱膠結(jié)地層重復(fù)采動(dòng)條件下地表最大沉降模型”，發(fā)現(xiàn)弱膠結(jié)巖石的碎脹系數(shù)、下層煤的采厚均與重復(fù)采動(dòng)地表最大下沉值之間呈線性關(guān)系。

2）采用相似模擬及數(shù)值模擬方法，得到重復(fù)采動(dòng)地表下沉曲線呈非對(duì)稱性分布，工作面不同推進(jìn)距離的最大下沉值偏于開切眼側(cè)的規(guī)律，且地表最大下沉值為6 913 mm，下沉系數(shù)為0.86；得到弱膠結(jié)地層重復(fù)采動(dòng)離層高度發(fā)育呈階梯狀上升的規(guī)律，且最高發(fā)育高度為172.2 m。

3）根據(jù)建立的地表沉降模型進(jìn)行概率積分法預(yù)計(jì)，得到的預(yù)計(jì)值與工作面回采過程中現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值相近，驗(yàn)證了“弱膠結(jié)地層重復(fù)采動(dòng)條件下地表最大沉降模型”的合理性；工作面回采結(jié)束后的地表最大下沉預(yù)計(jì)值可為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作提供參考依據(jù)。