厚松散層薄基巖下開(kāi)采地表變形規(guī)律—以魯南礦區(qū)為例

劉 輝 ，李 玉 ，蘇麗娟 ，朱曉峻 ，張鵬飛 ，姚明明 ，王金正 ，王慶偉 ，司光亞

（1.安徽大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 安徽 合肥 230601；2.安徽省礦山生態(tài)修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室, 安徽 合肥 230601；3.安徽大學(xué) 數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院,安徽 合肥 230601；4.山東能源集團(tuán)魯西礦業(yè)有限公司 郭屯煤礦, 山東 菏澤 274700）

0 引 言

煤炭作為重要的工業(yè)原料，在中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用[1]。開(kāi)采煤炭資源造成的沉降破壞了礦區(qū)的環(huán)境、耕地和地表建筑，導(dǎo)致地表沉降及許多其他潛在的災(zāi)難性后果[2-3]，因此，掌握煤層開(kāi)采地表變形規(guī)律至關(guān)重要。大量研究表明，對(duì)一般地質(zhì)采礦條件下煤層開(kāi)采引起的巖土體移動(dòng)變形規(guī)律的認(rèn)識(shí)較為深刻[4]。在我國(guó)東部大部分礦區(qū)，由于厚松散層薄基巖賦存條件，地表沉陷呈現(xiàn)下沉量大、移動(dòng)范圍廣、穩(wěn)沉?xí)r間長(zhǎng)等特征。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)或模擬研究發(fā)現(xiàn)，厚松散層薄基巖特殊地質(zhì)條件下開(kāi)采比一般地質(zhì)條件下開(kāi)采的地表下沉系數(shù)偏大，有些大于1.0 甚至更大[5]；主要影響角正切較小，水平移動(dòng)系數(shù)較大，水平移動(dòng)范圍大于下沉范圍；上山邊界角、移動(dòng)角小于或接近下山邊界角和移動(dòng)角等[6]。一般認(rèn)為產(chǎn)生這些特殊性是松散層較厚導(dǎo)致上覆巖層的綜合巖性偏軟、采動(dòng)引起應(yīng)力集中、土體壓實(shí)進(jìn)一步增大地表變形等引起的，而開(kāi)采引起含水層失水沉降亦不可忽略[7]。

對(duì)于地表移動(dòng)變形規(guī)律國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，其中代表成果有：HU 等[8]根據(jù)六安煤礦地質(zhì)條件，進(jìn)行了厚土層薄基巖和薄土層厚基巖2 種開(kāi)采沉陷模擬，分別對(duì)基巖厚度和土層厚度進(jìn)行了研究，并對(duì)不同地質(zhì)條件下地表移動(dòng)變形規(guī)律進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：隨著土層厚度的增加，地表變形迅速增加，但在一定數(shù)值（本文為100 m）后，地表變形變化不大；當(dāng)土層厚度一定時(shí)，地表變形隨基巖厚度的增加而減小；ZHANG 等[9]通過(guò)數(shù)值模擬表明基巖厚度對(duì)工作面上覆地層的變形和破壞有很大影響，在上覆基巖較薄的地方，沖積層底部的最大沉降和破壞顯著增加；余學(xué)祥等[10]研究大采深厚松散層下地表移動(dòng)變形具有下述基本特點(diǎn)：起動(dòng)距小，煤礦被開(kāi)采以后，地表很快進(jìn)入活躍階段，開(kāi)始階段僅41 d，約占總移動(dòng)時(shí)間的6%，活躍階段的時(shí)間相對(duì)較短，小于總移動(dòng)時(shí)間的23%，但最大下沉值的88%以上是在該階段獲得的，衰退階段約占總移動(dòng)時(shí)間的71%，相對(duì)較長(zhǎng)；郭玉芳等[11]探討了巨厚松散層條件下礦區(qū)的采礦，結(jié)合FLAC3D程序數(shù)值模擬軟件，研究了厚松散層采礦條件下地表移動(dòng)變形的特殊規(guī)律：地表變形集中、下沉系數(shù)變大、地表破壞范圍較廣；學(xué)者利用數(shù)值模擬研討了采深和松散層厚度對(duì)煤層開(kāi)采后地表移動(dòng)變形的影響[12]，得出采深采厚比一定且較大的情況時(shí)，隨著松散層厚度的增大，地表下沉量和水平位移略有增加，地表變形影響的范圍也有所增大[13-14]。

以上研究為厚松散層薄基巖地表變形規(guī)律提供了參考，但由于未考慮松散層厚度、基巖厚度在埋深中的占比，研究結(jié)果存在一些不足：①對(duì)于特殊地質(zhì)條件下煤層開(kāi)采的巖土體移動(dòng)變形規(guī)律研究較少，需要深入研究松散層與基巖不同厚度比時(shí)地表移動(dòng)變形的規(guī)律；②覆巖結(jié)構(gòu)中不同巖土體占比條件下開(kāi)采的地表變形規(guī)律仍需進(jìn)一步研究；③對(duì)于厚松散層薄基巖條件的定量分析不足，尤其是不同松散層基巖厚度比條件下地表變形規(guī)律存在明顯差異性。

為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)厚松散層薄基巖下煤層開(kāi)采引起的地表移動(dòng)變形規(guī)律，達(dá)到控制地表沉陷災(zāi)害目的，需要深入研究厚松散層薄基巖條件下的地表變形參數(shù)變化規(guī)律。以山東某煤礦為研究區(qū)域，在分析4302工作面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬，建立了不同松基比（0.25～5.00）條件下煤層開(kāi)采的地表變形計(jì)算模型，研究了地表變形特征，分析了松基比對(duì)地表變形參數(shù)的影響，并從開(kāi)采沉陷的角度對(duì)厚松散層薄基巖條件進(jìn)行了定量分析與探討。

1 研究區(qū)概況

井田位于山東省境內(nèi)，南北長(zhǎng)約14 km，東西寬約13 km，面積約180 km2。井田內(nèi)地層自上而下分為：第四系、新近系、上石盒子組和下石盒子組、二疊系山西組、石炭系本溪組和太原組、奧陶系中、下統(tǒng)，如圖1 所示。該礦區(qū)井田松散層厚度一般為530～650 m，平均590 m，主要含煤地層為下二疊系山西組和上石炭統(tǒng)太原組，平均總厚237.75 m，含煤25 層，其中山西組含煤3 層，太原組含煤22 層。山西組煤層平均總厚10.35 m，含煤系數(shù)4.3%，可采及局部可采煤層有3 煤、15 上煤、16 上煤、17 煤和18中煤，平均厚8.67 m，占煤層總厚的84%，其中3 煤層是本礦井主要可采煤層，煤層采用長(zhǎng)壁垮落法開(kāi)采。

圖1 覆巖結(jié)構(gòu)Fig.1 Overburden structure diagram

該煤礦4302 工作面傾向長(zhǎng)度為383 m，走向長(zhǎng)度為408 m，煤層厚度為3.2 m，工作面煤層傾角為10°，平均采深為810 m，其中松散層平均厚度為572 m，基巖厚度為238 m。煤層頂板主要由粗砂巖、中細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖等組成，具有開(kāi)采深度大、傾角小、松散層厚、薄基巖等特點(diǎn)。覆巖結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 地表移動(dòng)觀測(cè)

為研究該工作面開(kāi)采引起的地表移動(dòng)，在主斷面上方根據(jù)十字線原則布設(shè)了地表移動(dòng)觀測(cè)站，設(shè)置了3 條觀測(cè)線，其中沿走向布設(shè)1 條觀測(cè)線，沿傾向布設(shè)2 條觀測(cè)線，觀測(cè)線長(zhǎng)度超出工作面邊界的長(zhǎng)度均大于450 m[15]，走向線布設(shè)26 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，傾向線布設(shè)69 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，如圖2 所示。

圖2 地表移動(dòng)觀測(cè)站示意Fig.2 Schematic diagram of a mobile surface observation station

該工作面自2017 年3 月開(kāi)采，至2017 年9 月結(jié)束，地表移動(dòng)觀測(cè)時(shí)間為2017 年5 月至2018 年9 月。平均觀測(cè)周期為2 個(gè)月，其中，地表移動(dòng)活躍期進(jìn)行加密觀測(cè)，共進(jìn)行了9 次測(cè)量。根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，因4302 工作面未達(dá)到充分采動(dòng)，通過(guò)計(jì)算其采動(dòng)系數(shù)為0.39，獲取了地表移動(dòng)盆地特征參數(shù)，分別為尺寸383 m×408 m，平均采深810 m，煤層傾角10°，開(kāi)采厚度3.2 m，邊界角58°，移動(dòng)角63°；并得到了概率積分法參數(shù)，分別為下沉系數(shù)1.21，水平移動(dòng)系數(shù)0.42，主要影響角正切1.48，開(kāi)采影響傳播角87°，拐點(diǎn)偏移距54 m；分別繪制了開(kāi)采各時(shí)期工作面走向方向的地表動(dòng)態(tài)下沉曲線、地表傾斜曲線、地表曲率曲線、水平移動(dòng)曲線和水平變形曲線，如圖3-圖7所示。

圖3 工作面走向下沉曲線Fig.3 Working face sinking curve

圖4 傾斜曲線Fig.4 Slope curve

圖5 曲率曲線Fig.5 Curvature curve

圖6 水平移動(dòng)曲線Fig.6 Horizontal shift curve

圖7 水平變形曲線Fig.7 Horizontal deformation curve

由圖3-圖7 可知：工作面開(kāi)采過(guò)程中，隨著開(kāi)采范圍的增大，下沉值不斷增加，地表最大下沉值出現(xiàn)在距開(kāi)切眼約222 m 位于采空區(qū)中心上方的C16號(hào)測(cè)點(diǎn)，最大下沉值達(dá)到1 114 mm，因未達(dá)到充分采動(dòng)，下沉盆地未出現(xiàn)平底狀態(tài)；從盆地邊緣至拐點(diǎn)間的傾斜值逐步減小，拐點(diǎn)到最大沉降點(diǎn)間傾斜值逐漸增大，在最大沉降點(diǎn)處傾斜值為0。位于拐點(diǎn)處的傾斜值最大，并且擁有2 個(gè)正負(fù)相反的最大傾斜值。在距離開(kāi)切眼約64 m 處，傾斜達(dá)到負(fù)向最大值，其傾斜值為-3.93 mm/m，在距離終采線約213 m 處，傾斜達(dá)到正向最大值，其傾斜值為2.37 mm/m；在開(kāi)切眼后方約64 m 的位置處，曲率達(dá)到正向最大值，其曲率值達(dá)到0.086 mm/m2，在開(kāi)切眼前方約63 m 處，曲率達(dá)到負(fù)向最大值，其曲率值達(dá)到-0.079 mm/m2；地表移動(dòng)變形處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，水平移動(dòng)曲線趨于光滑，最大負(fù)水平移動(dòng)值位于開(kāi)切眼后方約232 m處，其值約為-620 mm，最大正水平移動(dòng)值位于距終采線157 m 處，其值約為560 mm；距離終采線約286 m處，水平變形達(dá)到正向最大值2.38 mm/m。

該工作面松散層厚，基巖相對(duì)較薄，松散層與基巖厚度比達(dá)到2.4，屬于特殊地質(zhì)采礦條件，因松散層的下沉機(jī)理不同于基巖，它一方面隨基巖的下沉而下沉，另一方面松散層擁有深厚土體，不具抗拉強(qiáng)度，呈整體移動(dòng)，可將松散層簡(jiǎn)化為一自由荷載作用于基巖面上，基巖所承受荷載越重[16]，所以地表沉陷出現(xiàn)了一些特殊現(xiàn)象，如下沉系數(shù)偏大甚至大于1、水平移動(dòng)系數(shù)偏大、地表破壞范圍較廣、拐點(diǎn)偏移距偏小等。由此證明不同上覆基巖和松散層的厚度對(duì)于研究地表移動(dòng)變形規(guī)律是至關(guān)重要的，同時(shí)進(jìn)一步揭示特殊地質(zhì)采礦條件下巖土體的變形機(jī)理，因此，運(yùn)用FLAC3D模擬不同松散層基巖厚度比，研究特殊地質(zhì)條件下煤層開(kāi)采的地表變形規(guī)律具有重要意義。

3 厚松散層薄基巖下開(kāi)采地表變形數(shù)值模擬

3.1 模型設(shè)計(jì)

為探討不同松散層與基巖厚度比條件下的地表變形規(guī)律，以山東某礦區(qū)地質(zhì)采礦條件為原型，通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬軟件，固定采深為900 m，模擬研究不同松基比對(duì)地表變形規(guī)律的影響，在達(dá)到充分采動(dòng)的情況下，制定地質(zhì)采礦條件為：開(kāi)采煤層為水平開(kāi)采，設(shè)計(jì)模型工作面長(zhǎng)度2 000 m，寬度2 000 m，煤層厚度3 m，開(kāi)采深度900 m，依據(jù)不同松基比分別建立數(shù)值模擬方案。

設(shè)計(jì)模型高度956 m，長(zhǎng)度5 000 m，寬度5 000 m，根據(jù)模型水平方向情況選取每25 m 一個(gè)網(wǎng)格，垂直方向按照巖層厚度不同進(jìn)行合理設(shè)置，其中煤層厚度選取3 m 一個(gè)網(wǎng)格。在工作面走向和傾向兩側(cè)各留1 500 m 的邊界保護(hù)煤柱，模型如圖8 所示。

圖8 數(shù)值模擬模型Fig.8 Numerical simulation model

結(jié)合上覆巖層材料的力學(xué)特征和摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，將地質(zhì)資料經(jīng)巖層概化合并，建立了與實(shí)際基本吻合的模擬模型[17]，根據(jù)該煤礦的地質(zhì)概況和物理力學(xué)性質(zhì)，選取地質(zhì)報(bào)告中相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室多次試驗(yàn)獲得模型的煤巖體物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 煤巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock mass

3.2 模擬方案

在常規(guī)地質(zhì)采礦條件下，研究開(kāi)采厚度、基巖厚度等對(duì)地表變形參數(shù)的影響時(shí)，由于松散層占采深的比例較小，經(jīng)常忽略不計(jì)[17]。而對(duì)于厚松散層薄基巖礦區(qū)而言，大多煤系都被厚松散層覆蓋，同時(shí)結(jié)合地表變形規(guī)律，將松散層與基巖厚度比記為松基比K，如式(1)所示。

式中：h為松散層厚度，m；H0為采深，m。

為了進(jìn)一步研究松散層與基巖的耦合作用下不同松基比條件的地表變形規(guī)律，結(jié)合東部礦區(qū)實(shí)際工作面松基比情況和已有學(xué)者的研究成果建立數(shù)值模擬模型。在其他各類巖土體的巖性及比例均一致的基礎(chǔ)上，可減少比例縮放帶來(lái)的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)調(diào)整松基比，建立K為0.25、0.50、0.75、1.00、1.25、1.50、1.75、2.00、2.50、3.00、3.50、4.00、4.50、5.00 的14 個(gè)數(shù)值計(jì)算模型，分別對(duì)這些模型的土體變形情況進(jìn)行分析，明確不同松基比的地表變形規(guī)律。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 地表變形規(guī)律

通過(guò)對(duì)上述各方案進(jìn)行模擬計(jì)算，得到不同松基比地表下沉值和水平移動(dòng)值，為了便于分析，繪制了不同松基比時(shí)地表下沉和水平移動(dòng)曲線，如圖9-圖10 所示。

圖9 不同松基比地表下沉曲線Fig.9 Surface subsidence curves with different pine-to-basis ratio

圖10 不同松基比地表水平移動(dòng)曲線Fig.10 Surface horizontal movement curves with different loose-to-base ratios

由圖9、圖10 可知：特殊地質(zhì)條件下煤層開(kāi)采，地表下沉曲線和水平移動(dòng)曲線總體上與一般地質(zhì)條件下采礦引起的地表移動(dòng)分布曲線接近；下沉曲線出現(xiàn)平底，說(shuō)明工作面達(dá)到充分采動(dòng)，并且越靠近采空區(qū)下沉越大，隨著K逐漸增大，地表下沉曲線盆地深度先增大后穩(wěn)定，最大下沉點(diǎn)位于采空區(qū)中央，下沉曲線關(guān)于最大下沉點(diǎn)對(duì)稱分布；從盆地邊緣至拐點(diǎn)處的水平移動(dòng)逐步增加，轉(zhuǎn)折點(diǎn)處與最大沉降點(diǎn)之間的水平移動(dòng)在逐步下降，在最大沉降點(diǎn)之間的水平移動(dòng)值趨于0，當(dāng)在拐點(diǎn)處水平位移最大時(shí)，出現(xiàn)了2 種方向相反的最大水平移動(dòng)值，曲線在采空區(qū)的中央形成中心對(duì)稱；最大下沉值和最大水平移動(dòng)值隨著松基比增大呈現(xiàn)先增大后穩(wěn)定的規(guī)律，說(shuō)明不同松基比對(duì)地表移動(dòng)變形的作用不同，不同情況需進(jìn)行不同討論，當(dāng)松散層占開(kāi)采深度比重越大時(shí)，基巖所承受荷載越重，地表下沉逐漸增大，但當(dāng)松散層厚度逐漸增大時(shí)，松散層對(duì)地表變形起到緩解作用，地表下沉逐漸穩(wěn)定；隨著松基比的增加，地表下沉值與水平移動(dòng)值在邊緣處收斂緩慢，范圍逐漸擴(kuò)大，曲線上方由陡峭逐漸變平緩；松基比等于1.75 時(shí)，地表最大下沉量達(dá)到3 608 mm，松基比等于1.25 時(shí)，最大水平位移達(dá)到1 994 mm。

通過(guò)對(duì)不同松基比方案進(jìn)行模擬計(jì)算，獲取了不同松基比條件下地表下沉系數(shù)q，水平移動(dòng)系數(shù)b、主要影響角正切tanβ，邊界角δ0和移動(dòng)角δ0，見(jiàn)表2。

表2 模擬不同松基比的地表變形參數(shù)Table 2 Surface deformation parameters for different pine-to-basic ratios

由表2 可知，采煤區(qū)充分開(kāi)采時(shí)，松基比影響地表沉陷程度：在煤層采礦采厚相同的情況下，當(dāng)松基比不斷增加時(shí)，下沉系數(shù)為非線性變化，表現(xiàn)為先增大后逐漸穩(wěn)定，其中K=1.75，qmax=1.203，當(dāng)松基比達(dá)到一定限值時(shí)，采空區(qū)的破壞對(duì)地表移動(dòng)變形的影響減??；隨著松基比不斷增加，水平移動(dòng)系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小最終逐漸穩(wěn)定的特點(diǎn)，當(dāng)松基比等于1.25 時(shí)，水平移動(dòng)系數(shù)最大達(dá)到0.56；主要影響角正切隨著松基比增加呈現(xiàn)先增大后減小的特點(diǎn)，K=1.25 時(shí)，tanβ最大為1.41，tanβ越小，地表移動(dòng)范圍相對(duì)越大，下沉盆地越分散；邊界角描述地表移動(dòng)盆地邊界特點(diǎn)，移動(dòng)角代表了地下開(kāi)采對(duì)地表移動(dòng)的影響程度、大小、范圍，當(dāng)采深固定時(shí)，移動(dòng)角、邊界角與松基比之間存在線性關(guān)系，隨著松基比增大，移動(dòng)角、邊界角逐漸減小。

3.3.2 松基比對(duì)下沉系數(shù)的影響

通過(guò)對(duì)表2 統(tǒng)計(jì)的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到了下沉系數(shù)q與松基比K之間關(guān)系，如圖11 所示。

圖11 下沉系數(shù)與松基比相關(guān)關(guān)系Fig.11 Correlation between subsidence coefficient and loose-to-base ratio

由圖可知：下沉系數(shù)q與松基比K之間呈現(xiàn)先增大后逐漸穩(wěn)定的關(guān)系，K=1.75 時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)。當(dāng)松基比從0 增加到1.75 時(shí)，下沉系數(shù)與松基比呈線性增大關(guān)系，平均增加率為0.085，當(dāng)松基比增加0.1 時(shí)，下沉系數(shù)增加0.008 5，其中K=1.75 時(shí)，下沉系數(shù)達(dá)到最大值1.203；當(dāng)松基比從2.0 增加到5.0 時(shí)，下沉系數(shù)趨于平緩，q平均值為1.187，不再隨著松基比的變化而大幅變化。

3.3.3 松基比對(duì)水平移動(dòng)系數(shù)的影響

根據(jù)模擬結(jié)果表2，繪出了水平移動(dòng)系數(shù)b與松基比K的關(guān)系曲線，如圖12 所示。

圖12 水平移動(dòng)系數(shù)與松基比相關(guān)關(guān)系Fig.12 Correlation between horizontal movement coefficient and loose-to-basic ratio

由圖12 可知：水平移動(dòng)系數(shù)b與松基比K之間存在先增大后減小最終趨于穩(wěn)定的關(guān)系，K=1.25 時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)。當(dāng)松基比從0 增加到1.25 時(shí)，水平移動(dòng)系數(shù)與松基比呈線性增大關(guān)系，平均增加率為0.088，由0.46 增大到0.56；當(dāng)松基比從1.25 增加到2.0 時(shí)，水平移動(dòng)系數(shù)與松基比呈線性減小關(guān)系，平均減少率為0.104，當(dāng)松基比增加0.1 時(shí)，水平移動(dòng)系數(shù)減少0.010 4；當(dāng)松基比從2.0 增加到5.0 時(shí)，減少速率減緩，水平移動(dòng)系數(shù)逐漸呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)。

3.3.4 松基比對(duì)主要影響角正切的影響

通過(guò)對(duì)表2 統(tǒng)計(jì)的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到了主要影響角正切tanβ與松基比K之間的關(guān)系，如圖13 所示。

圖13 松基比與主要影響角正切相關(guān)關(guān)系Fig.13 Correlation between loose basis ratio and main influence angle tangent

由圖13 可知：主要影響角正切tanβ與松基比K之間存在先增大后減小關(guān)系，其中K為1.25 時(shí)，tanβ達(dá)到最大值為1.41。當(dāng)K為0.25～1.25 時(shí)，松基比與主要影響角正切呈線性增大關(guān)系，平均增加率為0.204；K為1.25～5.00 時(shí)，tanβ與K呈線性減小關(guān)系，平均減少率為0.081。

4 數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

為驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，分別選取了兩淮和魯南典型厚松散層礦區(qū)5 個(gè)工作面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，分別為：劉橋二礦610 工作面、張莊礦3131-1 工作面、淮南某礦1215 工作面、山東兗州鮑店5304-1 和郭屯1308 工作面。地質(zhì)采礦條件和地表移動(dòng)參數(shù)，見(jiàn)表3，下沉系數(shù)、水平移動(dòng)系數(shù)、主要影響角正切實(shí)測(cè)結(jié)果與本文模擬結(jié)果的對(duì)比如圖14 所示。

表3 不同礦區(qū)工作面地質(zhì)采礦條件與地表移動(dòng)參數(shù)Table 3 Geological mining conditions and surface movement parameters of working faces in different mining areas

圖14 實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果對(duì)比Fig.14 Comparison between the actual measurement and simulation results

其中，劉橋二礦位于安徽省淮北市濉溪縣劉橋鎮(zhèn)境內(nèi)，主采為二疊系山西組 6 煤層，采深420 m，采厚3.0 m，煤層傾角3°，覆巖結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要由第四系表土、細(xì)砂、泥巖、粉砂、砂質(zhì)黏土組成，松散層厚度140 m，基巖厚度279 m；張莊礦位于安徽省淮北市，主采石炭二疊系煤層，采深96 m，采厚2.7 m，近水平煤層，覆巖結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，主要由第四系松散層、泥巖、砂巖組成，松散層厚度48 m，基巖厚度48 m；淮南某礦1215 工作面位于淮南煤田，主采13-1 煤，采深642 m，采厚3.08 m，煤層傾角3°，覆巖結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，主要由第四系松散層、細(xì)至中粒砂巖、泥巖、黏土組成，松散層厚度385 m，基巖厚度257 m；鮑店煤礦位于鄒城、兗州市境內(nèi)，主采山西組3 煤層，采深289 m，采厚2.9 m，煤層傾角9°，覆巖結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，主要由泥巖、粉砂巖、細(xì)至中粒砂巖組成，松散層厚度190 m，基巖厚度99 m[18]。山東郭屯煤礦位于山東省菏澤地區(qū)鄆城縣城，主采煤層為山西組3 煤層，采深765 m，采厚3 m，煤層傾角為3°，覆巖結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，主要由第四系松散層、泥巖、中砂巖組成，松散層厚度582 m，基巖厚度183 m[19]。

通過(guò)實(shí)測(cè)與模擬對(duì)比，可以看出：不同松基比工作面實(shí)測(cè)下沉系數(shù)與模擬下沉系數(shù)的平均相對(duì)誤差為10.5%，最大為14.6%（松基比為0.5），最小為5.3%（松基比為1.5）；實(shí)測(cè)與模擬整體趨勢(shì)一致，但當(dāng)松基比等于2.0 時(shí)，實(shí)測(cè)比模擬稍大，在其他松基比情況下，實(shí)測(cè)比模擬偏小，產(chǎn)生誤差的原因可能是巖土體內(nèi)部具有復(fù)雜性，進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)無(wú)法考慮全面，加入了土體中的豎向應(yīng)力，忽略了水平應(yīng)力的影響；水平移動(dòng)系數(shù)平均相對(duì)誤差為16.6%，最大為22.6%（松基比為3.0），最小為7.9%（松基比為1.5）；水平移動(dòng)系數(shù)模擬和實(shí)測(cè)地表變形規(guī)律一致，但實(shí)測(cè)值大多稍小于模擬值，這是由于實(shí)際情況下的測(cè)量會(huì)受到降雨，開(kāi)挖速度，人工等因素的影響，而模擬無(wú)法實(shí)現(xiàn)；主要影響角正切平均相對(duì)誤差為16.3%，最大為27.6%（松基比為2.0），最小為3.5%（松基比為1.0）。根據(jù)上述概率積分法參數(shù)對(duì)比，可知模擬得到的主要影響角正切、水平移動(dòng)系數(shù)和下沉系數(shù)與實(shí)測(cè)值之間存在較小誤差，模擬結(jié)果可靠。

5 松基比對(duì)地表變形參數(shù)影響的機(jī)理分析

在沒(méi)有進(jìn)行采煤或者受到采煤影響之前，土體僅受到自身重力、支承力和兩側(cè)水平應(yīng)力作用，這兩組平衡應(yīng)力，使得土體相對(duì)穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)變形[18]。煤礦被采出以后，破壞了采空區(qū)周圍巖土體內(nèi)部原有的力學(xué)平衡狀態(tài)，由此巖層發(fā)生了移動(dòng)、變形。當(dāng)開(kāi)采面積達(dá)到一定范圍后，地表遭到破壞產(chǎn)生波動(dòng)，并發(fā)生移動(dòng)變形。不同松散層基巖厚度產(chǎn)生的移動(dòng)變形規(guī)律存在差別，并且對(duì)地表變形參數(shù)具有重要的影響：

1） 采動(dòng)覆巖移動(dòng)的破壞傳遞過(guò)程與上覆巖層的巖性密切相關(guān)，厚松散層多由黏性或砂性土沉積而成，在自重應(yīng)力作用下，會(huì)對(duì)其下部基巖產(chǎn)生較大壓力，基巖的下沉引起松散層下沉[20]。

對(duì)不同松基比情況下地下煤層開(kāi)采后引起的上覆巖土體垂直應(yīng)力變化進(jìn)行分析，如圖15 所示。在松基比為0.25～2.5 時(shí)，松散層占平均采深的比例較小，采空區(qū)上方的松散層向地表附加應(yīng)力幾乎全部為正值，即產(chǎn)生壓應(yīng)力，壓力在逐漸減小，由0.51 MPa減小到0.08 MPa；隨著松散層占的比例增加，松基比為3.0～5.0 時(shí)，垂直附加應(yīng)力發(fā)生改變，變?yōu)樨?fù)值，此時(shí)產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉力值逐漸增大，由0.17 MPa 增加到0.23 MPa，煤層開(kāi)采后引起的應(yīng)力影響范圍逐漸減小。在采空區(qū)邊界兩端擁有了應(yīng)力集中區(qū)域，巖土體垂直應(yīng)力基本上關(guān)于采空區(qū)呈中心對(duì)稱，隨著松基比的增加，應(yīng)力減小后趨于穩(wěn)定，松基比0.25 時(shí)達(dá)到最大值42 MPa，松基比3.5～5.0 時(shí)穩(wěn)定在34 MPa。由于煤炭被采出以后，巖土體原始的應(yīng)力分布發(fā)生改變，煤層頂、底板應(yīng)力逐漸向了采空區(qū)邊界分布，形成應(yīng)力集中區(qū)域，頂、底板達(dá)到承載極限值最終應(yīng)力值趨于穩(wěn)定。

圖15 覆巖垂直應(yīng)力分布Fig.15 Vertical stress distribution of overlying rock

2） 地表變形參數(shù)用于描述地表移動(dòng)變形規(guī)律，其隨著松基比的變化而變化，主要表現(xiàn)為隨著松基比的增加，下沉系數(shù)呈現(xiàn)先增大后穩(wěn)定的趨勢(shì)，水平移動(dòng)系數(shù)為先增大后減小最后趨于穩(wěn)定，主要影響角正切呈先增大后減小特點(diǎn)，邊界角、移動(dòng)角呈現(xiàn)逐漸減小特征，產(chǎn)生影響的原因如下：①開(kāi)采條件相同的情況下，基巖面下沉向松散層土體傳遞過(guò)程中，除了土體跟隨基巖面下沉之外，傳遞過(guò)程中引起土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，產(chǎn)生了附加應(yīng)力，在附加應(yīng)力作用下，松散層土體產(chǎn)生了沉陷響應(yīng)，引起附加下沉。隨著松基比逐漸增加，松散層占比逐漸增加，作用在基巖及采空區(qū)的應(yīng)力增加，受到松散層荷載影響的采空區(qū)冒落帶內(nèi)破碎巖體更加壓實(shí)，巖石碎脹性減小，地表下沉增大，基巖承受的荷載越大，下沉系數(shù)逐漸增大；當(dāng)松基比達(dá)到一定限值時(shí)，松散層中的承載結(jié)構(gòu)為松散層拱結(jié)構(gòu)，基巖中的承載結(jié)構(gòu)為關(guān)鍵層[21]，即基巖層內(nèi)能夠形成有效支承應(yīng)力層，承擔(dān)了上覆附加應(yīng)力，減少了開(kāi)采對(duì)于松散層的影響，最大下沉量逐漸穩(wěn)定，下沉系數(shù)呈現(xiàn)趨于平緩特點(diǎn)。②采空區(qū)的存在導(dǎo)致基巖的移動(dòng)變形，進(jìn)而影響著松散層，當(dāng)松基比較小時(shí)，松散層存在壓縮變形特性，受到松散層壓縮變形的影響，水平移動(dòng)范圍逐漸增大，故而水平移動(dòng)系數(shù)增大；當(dāng)松基比越來(lái)越大時(shí)，松散層所占比例越來(lái)越大，受到開(kāi)采產(chǎn)生的附加豎向應(yīng)力的影響越來(lái)越小，采空區(qū)外側(cè)應(yīng)力值增高，因此整體變形量減小，水平移動(dòng)范圍逐漸減小，水平移動(dòng)系數(shù)減小后趨于穩(wěn)定。③主要影響角正切與主要影響半徑密切相關(guān)，受到松散層、基巖厚度的耦合影響，如式(2)所示，當(dāng)松基比不斷增大時(shí)，最大下沉值呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)，最大傾斜值為最大下沉值一階導(dǎo)數(shù)，表現(xiàn)為先增大后減小，由此得到的主要影響半徑呈先減小后增大特征，又因固定了開(kāi)采深度，利用公式得到主要影響角正切值先增大后減小。

其中：r為主要影響半徑；W0為最大下沉值；i0為最大傾斜值；H0為采深，m。④當(dāng)采深較大時(shí)，表土層在平均采深中占的比例對(duì)移動(dòng)角、邊界角有很大的影響，移動(dòng)角、邊界角隨著表土層厚度占平均采深比例的增加而減小[22]。

6 厚松散層薄基巖條件的定量分析及探討

為探討厚松散層薄基巖條件下巖層移動(dòng)與地表變形，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別從井下開(kāi)采、覆巖破壞、地表移動(dòng)等不同角度開(kāi)展了研究：①?gòu)木麻_(kāi)采角度，采礦工作者認(rèn)為以確定的基巖范圍來(lái)區(qū)別基巖厚度，如在研究神東礦區(qū)薄基巖淺埋煤層保水開(kāi)采技術(shù)時(shí)提出，通常情況下將厚度h≤30～50 m 的巖層稱之為薄基巖[23]；②從覆巖破壞角度，煤層開(kāi)采以后采空區(qū)上覆巖層出現(xiàn)彎曲下沉帶、裂隙帶和垮落帶，垮落帶和裂隙帶合稱導(dǎo)水裂縫帶[24]。一般認(rèn)為垮落帶與導(dǎo)水裂縫帶為“兩帶”，通常位于垮落帶內(nèi)巖層。多數(shù)學(xué)者根據(jù)煤層開(kāi)采后采空區(qū)上覆巖層“兩帶”高度與基巖厚度之間的關(guān)系，對(duì)薄基巖進(jìn)行定義和分類，煤層上覆基巖厚度小于垮落帶高度屬于超薄基巖；基巖厚度大于垮落帶高度而小于導(dǎo)水裂縫帶高度屬于薄基巖；而厚基巖是基巖厚度大于導(dǎo)水裂縫帶高度[25]。③從地表移動(dòng)角度，松散層和上覆基巖的厚度、巖性影響著地表的移動(dòng)變形，松散層越薄，基巖越厚，巖性越大，對(duì)地表影響程度越小[26]。在大采深、基巖較薄的開(kāi)采條件下，地表下沉盆地陡峭，移動(dòng)變形分布集中，表現(xiàn)在參數(shù)上，移動(dòng)角偏大，主要影響角正切偏大，地表下沉速度偏大，地表移動(dòng)劇烈[20]，但對(duì)于松散層基巖厚度沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義。

一般認(rèn)為，厚度小于50 m 的松散層屬于薄松散層，厚度大于50 m 并小于100 m 屬于厚松散層，而巨厚松散層是厚度大于100 m[27]。然而，煤層開(kāi)采后，采動(dòng)下沉自頂板向上覆巖層傳遞，頂板以垮落形式冒落堆積于采空區(qū)，位于其兩側(cè)向上發(fā)生斷裂，在上方形成了托梁，托梁下方巖土體應(yīng)力得到釋放，出現(xiàn)斷裂、裂縫，當(dāng)破壞帶范圍進(jìn)一步增大，上方托梁延伸至松散層內(nèi)，形成暫時(shí)的自穩(wěn)結(jié)構(gòu)，因此托梁在上方松散層荷載作用下發(fā)生失穩(wěn)，造成松散層彎曲，整體下沉，如圖16 所示，壓覆于托梁下方的巖土體，受松散層荷載壓實(shí)作用，破壞帶中間巖土體采動(dòng)裂隙不斷彌合[28]。

圖16 松散層與基巖相互作用關(guān)系Fig.16 Interaction relationship between loose layer and bedrock

基于松散層與基巖相互作用關(guān)系，考慮到實(shí)際巖土體的復(fù)雜性，無(wú)法直觀地了解到當(dāng)改變松散層與基巖厚度比時(shí)地表移動(dòng)變形規(guī)律。同時(shí)松散層為彈塑性介質(zhì)，強(qiáng)度較弱，容易發(fā)生塑性變形，這使得其在下沉過(guò)程中不易產(chǎn)生離層，因而出現(xiàn)地表下沉系數(shù)接近甚至大于1、盆地邊緣水平移動(dòng)大于沉降等獨(dú)特現(xiàn)象[29]。因此，在綜合考慮松散層基巖厚度劃分的基礎(chǔ)上，基于數(shù)值模擬結(jié)果，建議采用松基比作為厚松散層條件的定量描述。

通過(guò)以上數(shù)值模擬研究可以看出，松基比對(duì)地表變形參數(shù)的影響主要表現(xiàn)在以下3 個(gè)方面：

1） 松基比對(duì)下沉系數(shù)的影響。下沉系數(shù)呈先增大后逐漸穩(wěn)定的特征。隨著松基比的不斷增大，下沉系數(shù)變化主要可分為2 個(gè)階段：首先，當(dāng)松基比從0 增大到1.75 時(shí)，下沉系數(shù)呈線性快速增長(zhǎng)；其次，當(dāng)松基比大于2.0 時(shí)，下沉系數(shù)趨于平緩。

2） 松基比對(duì)水平移動(dòng)系數(shù)的影響。水平移動(dòng)系數(shù)呈先增大后減小最終趨于穩(wěn)定的特征。隨著松基比的不斷增大，水平移動(dòng)系數(shù)變化主要可分為3 個(gè)階段：首先，當(dāng)松基比從0 增大到1.25 時(shí)，水平移動(dòng)系數(shù)呈線性增長(zhǎng)；其次，當(dāng)松基比從1.25 增大到2.0 時(shí)，水平移動(dòng)系數(shù)呈線性減小；最后，當(dāng)松基比從2.0 增大到5.0 時(shí)，水平移動(dòng)系數(shù)減少速率減緩逐漸呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)。

3） 松基比對(duì)主要影響角正切的影響。隨著松基比的不斷增大，主要影響角正切與松基比之間存在先增大后減小的關(guān)系；當(dāng)松基比大于1.25 時(shí)，主要影響角正切逐漸減小。

隨著松散層和基巖厚度在埋深中所占的比例發(fā)生變化，尤其是厚松散層薄基巖礦區(qū)，原有的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)已無(wú)法滿足地表變形預(yù)計(jì)的需要。因此，建議提出將松基比作為厚松散層薄基巖條件的定量描述，即：隨著松基比的增大，當(dāng)松基比小于1.25 時(shí)，地表變形量逐漸增大，可視為常規(guī)地質(zhì)采礦條件；而松基比在1.25～1.75 時(shí)，地表變形量出現(xiàn)極值；當(dāng)松基比大于1.75 時(shí)，地表變形量逐漸減小，可視為厚松散層薄基巖條件。

7 結(jié) 論

1） 以山東某煤礦為例，利用FLAC3D數(shù)值模擬方法，建立了不同松基比（0.25～5.00）條件下煤層開(kāi)采的地表變形數(shù)值模擬模型，研究了地表變形規(guī)律。結(jié)果表明：當(dāng)開(kāi)采厚度一定時(shí)，隨著松基比不斷增大，地表變形量呈明顯的先增大后減小特征，但松基比達(dá)到某一限值后，地表變形趨于穩(wěn)定。

2） 回歸分析了松基比與地表下沉系數(shù)、水平移動(dòng)系數(shù)、主要影響角正切之間的關(guān)系。下沉系數(shù)呈現(xiàn)先增大后穩(wěn)定特點(diǎn)，水平移動(dòng)系數(shù)表現(xiàn)為先增大后減小最后趨于穩(wěn)定，主要影響角正切呈先增大后減小特點(diǎn)，拐點(diǎn)分別為1.75、1.25 和1.25；邊界角和移動(dòng)角隨松基比的增大而減小。

3） 基于上述研究，從開(kāi)采沉陷角度，提出了將松基比1.25～1.75 作為厚松散層薄基巖條件的臨界值，為我國(guó)東部厚松散層礦區(qū)災(zāi)害預(yù)測(cè)、保護(hù)煤柱留設(shè)提供了理論基礎(chǔ)。

本文僅針對(duì)東部厚松散層薄基巖條件，建立了理想的數(shù)值模擬模型，研究了不同松基比與巖土體地表變形參數(shù)變化規(guī)律，但是，對(duì)于巖土體的地表移動(dòng)情況因受到采礦方法、頂板管理方式、巖性結(jié)構(gòu)、采深、開(kāi)采厚度、采空區(qū)尺寸與形態(tài)、礦層傾角、重復(fù)采礦次數(shù)、地層結(jié)構(gòu)及含水層等條件的綜合影響，仍相當(dāng)復(fù)雜，因此各種地質(zhì)采礦條件下的巖土體地表變形規(guī)律仍有待進(jìn)一步的研究，期待更多更為深入的研究成果在今后陸續(xù)發(fā)表。