淺埋深多煤層開(kāi)采地表移動(dòng)規(guī)律實(shí)測(cè)與分析

王衛(wèi)東，郭先順，王明立，田國(guó)燦，李友偉

(1.內(nèi)蒙古雙欣礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017001；2.天地科技股份有限公司 開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；3.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013)

神府東勝煤田是我國(guó)已探明的最大煤田，分布在陜西省榆林地區(qū)和內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)，具有可采煤層多、埋藏深度小、地表普遍為風(fēng)積砂地貌等典型特點(diǎn)，地質(zhì)采礦條件具有特殊性。內(nèi)蒙古雙欣礦業(yè)有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)雙欣礦業(yè))位于神府東勝煤田的東緣，自2016年以來(lái)，在地表布置地表觀測(cè)站對(duì)礦井各煤層開(kāi)采進(jìn)行持續(xù)性觀測(cè)，獲得了大量寶貴的地表移動(dòng)觀測(cè)資料，為研究淺埋深、多煤層開(kāi)采地表移動(dòng)規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)煤礦開(kāi)采引起的地表移動(dòng)與變形進(jìn)行過(guò)較多研究，主要集中在淺埋深厚煤層綜放開(kāi)采[1-9]、多煤層重復(fù)采動(dòng)[10-20]等相關(guān)領(lǐng)域。本文基于雙欣礦業(yè)實(shí)測(cè)資料，利用開(kāi)采沉陷理論、數(shù)值模擬等多種方法，對(duì)初次采動(dòng)、重復(fù)采動(dòng)等不同條件下的地表移動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)和分析，并對(duì)淺埋深、多煤層開(kāi)采地表不連續(xù)變形、波浪狀下沉等地表移動(dòng)機(jī)理進(jìn)行模擬分析。

1 礦井概況

雙欣礦業(yè)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市東勝區(qū)銅川鎮(zhèn)，于2008年11月開(kāi)工建設(shè)，2012年3月正式投產(chǎn)，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為500萬(wàn)t/a，設(shè)計(jì)服務(wù)年限63.3 a。井田分2個(gè)水平開(kāi)拓，11個(gè)采區(qū)開(kāi)采，主要開(kāi)采2-2、4-1、5-1、6-1煤層。

雙欣礦業(yè)地層由老至新發(fā)育有三疊系上統(tǒng)延長(zhǎng)組、侏羅系中下統(tǒng)延安組、侏羅系中統(tǒng)直羅組、安定組、白堊系下統(tǒng)志丹群和第四系。井田主要含煤地層為侏羅系中下統(tǒng)延安組和侏羅系中統(tǒng)直羅組，共含煤19層，其中可采煤層10層。根據(jù)工程地質(zhì)勘探成果，雙欣礦業(yè)地表為沖洪積物和風(fēng)積沙，厚度1.0～23.52 m，平均5.51 m?；鶐r巖性多為砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖，次為粉砂巖，巖芯取出后易風(fēng)化，巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)值較低，為20%～65%，平均50%，巖體質(zhì)量指標(biāo)值(M)為0.0038～0.17，平均0.041。區(qū)內(nèi)巖石與巖體的質(zhì)量等級(jí)均為Ⅳ級(jí)，質(zhì)量較差。井田地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，地層傾角小于5°，無(wú)大型斷層及褶曲。瓦斯地質(zhì)和水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。

雙欣礦業(yè)首采煤層為2-2煤層，接續(xù)開(kāi)采煤層為4-1煤層，兩煤層間距42.85～102.11 m，平均58.98 m。2-2煤層劃分1個(gè)采區(qū)，即22采區(qū)，共布置13個(gè)工作面開(kāi)采。4-1煤層劃分1個(gè)采區(qū)，即41采區(qū)，共布置14個(gè)工作面開(kāi)采。采煤方法均采用走向長(zhǎng)壁后退式綜采一次采全高開(kāi)采方法，全部垮落法管理頂板。

多年來(lái)，雙欣礦業(yè)在不同煤層工作面共布置10多條地表移動(dòng)觀測(cè)線進(jìn)行觀測(cè)，本文選取其中兩條觀測(cè)線數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析。這兩條觀測(cè)線共涉及兩個(gè)煤層(2-2煤層和4-1煤層)、7個(gè)工作面開(kāi)采，工作面開(kāi)采技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1，工作面及測(cè)線布置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域工作面位置關(guān)系及觀測(cè)線布置

表1 雙欣礦業(yè)工作面開(kāi)采技術(shù)參數(shù)

2 地表移動(dòng)過(guò)程實(shí)測(cè)研究

2.1 初次采動(dòng)多工作面開(kāi)采地表移動(dòng)觀測(cè)

雙欣礦業(yè)2-2煤層222208、222209、222210工作面開(kāi)采，布置的地表移動(dòng)觀測(cè)線為a1—a38，共38個(gè)測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)時(shí)間歷時(shí)一年多，較好觀測(cè)了這3個(gè)工作面開(kāi)采引起的地表移動(dòng)變形情況(開(kāi)采順序：222208→222209→222210)。3個(gè)工作面采動(dòng)影響下沉過(guò)程如圖2所示。由圖2可知，222209工作面下沉量較大，222210工作面地表達(dá)到穩(wěn)沉?xí)r間較短。

圖2 初次采動(dòng)222208—222210工作面開(kāi)采地表歷次下沉曲線

2.2 重復(fù)采動(dòng)多工作面開(kāi)采地表移動(dòng)觀測(cè)

4-1煤層工作面共布置地表移動(dòng)觀測(cè)線1條，為C1—C8—B1—B18觀測(cè)線，主要監(jiān)測(cè)414108—414109等工作面開(kāi)采引起的地表移動(dòng)變形情況。結(jié)合雙欣礦業(yè)2-2煤層工作面布置地表移動(dòng)觀測(cè)線a1—a38，可得到重復(fù)采動(dòng)條件下地表移動(dòng)變形情況。重復(fù)采動(dòng)條件下4-1煤層多工作面開(kāi)采地表下沉曲線如圖3所示。開(kāi)采順序?yàn)?14108→414109工作面。414109工作面地表下沉達(dá)到穩(wěn)沉的時(shí)間要大于414108工作面達(dá)到穩(wěn)沉的時(shí)間。

圖3 重復(fù)采動(dòng)條件下414108、414109工作面開(kāi)采地表歷次下沉曲線

2.3 重復(fù)采動(dòng)多工作面開(kāi)采地表移動(dòng)時(shí)間分析

根據(jù)地表下沉實(shí)測(cè)圖2、圖3可以看出，無(wú)論是上層煤初次采動(dòng)還是下層煤重復(fù)采動(dòng)，地表均表現(xiàn)出明顯的波浪狀下沉特征，說(shuō)明淺埋深條件下上覆巖層的移動(dòng)易受采空區(qū)遺留煤柱的影響。也說(shuō)明在淺埋深條件下，覆巖礦山壓力作用較小，無(wú)論是初次采動(dòng)還是重復(fù)采動(dòng)，煤柱均能保持一定的穩(wěn)定，對(duì)覆巖移動(dòng)和地表下沉具有明顯的控制作用。

根據(jù)開(kāi)采沉陷理論[21]，一般將地表點(diǎn)的整個(gè)移動(dòng)過(guò)程分為三個(gè)時(shí)期：初始期、活躍期、衰退期。初始期指下沉量達(dá)到10 mm的時(shí)刻開(kāi)始，至下沉速度達(dá)到1.67 mm/d(或50 mm/月)時(shí)刻為止的時(shí)期?；钴S期指下沉速度大于1.67 mm/d(或50 mm/月)的時(shí)期。衰退期指下沉速度小于1.67 mm/d(或50 mm/月)起至6個(gè)月內(nèi)下沉累計(jì)不超過(guò)30 mm時(shí)為止的時(shí)期。根據(jù)地表移動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，各工作面開(kāi)采后相應(yīng)的地表最大下沉點(diǎn)單月下沉速度變化曲線如圖4所示。由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，無(wú)論是初次采動(dòng)還是重復(fù)采動(dòng)，淺埋深條件下地表移動(dòng)的初始期均不足一個(gè)月。對(duì)于2-2煤層開(kāi)采，初次采動(dòng)地表移動(dòng)的活躍期3～5個(gè)月；對(duì)于4-1煤層開(kāi)采，重復(fù)采動(dòng)條件下地表移動(dòng)的活躍期為4～6個(gè)月。綜合考慮，淺埋深多煤層開(kāi)采條件下地表移動(dòng)的活躍期一般為3～6個(gè)月。

圖4 不同工作面開(kāi)采地表最大下沉點(diǎn)單月下沉速度變化曲線

3 多煤層開(kāi)采地表移動(dòng)參數(shù)研究

3.1 概率積分法地表移動(dòng)計(jì)算參數(shù)

工作面煤層開(kāi)采后，采空區(qū)上覆巖層發(fā)生的變形、破壞、移動(dòng)，隨著采煤工作面的推進(jìn)，逐漸從采場(chǎng)頂板擴(kuò)展至地表，形成地表移動(dòng)盆地。地表移動(dòng)盆地中存在下沉、水平移動(dòng)、水平變形、傾斜變形、曲率等不同性質(zhì)的移動(dòng)變形指標(biāo)。對(duì)這些變形指標(biāo)的計(jì)算和分析，目前應(yīng)用最多的方法是概率積分法。

概率積分法也稱(chēng)為隨機(jī)介質(zhì)理論，是把巖體看作一種隨機(jī)介質(zhì)，把巖層移動(dòng)過(guò)程看作一種服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的隨機(jī)過(guò)程來(lái)研究巖層與地表移動(dòng)的一種方法。概率積分法采用疊加原理將采動(dòng)影響函數(shù)在整個(gè)開(kāi)采區(qū)域上進(jìn)行積分，得到開(kāi)采區(qū)域下沉曲線函數(shù)。根據(jù)小變形和體積不變?cè)恚脝卧鲁梁瘮?shù)得到單元水平移動(dòng)函數(shù)，然后根據(jù)積分原理得到開(kāi)采區(qū)域水平移動(dòng)曲線。根據(jù)導(dǎo)數(shù)關(guān)系，可以得到水平變形、傾斜變形、曲率等計(jì)算公式。通過(guò)參數(shù)整合和明確物理意義，概率積分法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)用到四個(gè)計(jì)算參數(shù)：下沉系數(shù)、水平移動(dòng)系數(shù)、主要影響角正切、拐點(diǎn)偏移距，對(duì)于傾斜煤層開(kāi)采地表移動(dòng)預(yù)計(jì)，還要用到開(kāi)采影響傳播角。

如上所述，在進(jìn)行地表移動(dòng)計(jì)算時(shí)，要利用單元開(kāi)采影響?yīng)毩⒆饔玫寞B加法則。在彈性力學(xué)中，線性疊加原理只用于小變形情形。對(duì)于單一煤層開(kāi)采，在開(kāi)采區(qū)域上利用積分原理進(jìn)行概率積分法計(jì)算，其計(jì)算精度經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證滿(mǎn)足工程應(yīng)用要求。對(duì)于多煤層開(kāi)采，由于巖石不同于其他介質(zhì)，在一次開(kāi)采影響后，其結(jié)構(gòu)性質(zhì)將發(fā)生變化，進(jìn)而改變上覆巖層的移動(dòng)特征。根據(jù)地表移動(dòng)過(guò)程分析，多煤層、多工作面開(kāi)采存在相互交叉影響的關(guān)系，必將改變地表移動(dòng)盆地的分布形態(tài)。因此，初次采動(dòng)和重復(fù)采動(dòng)在地表移動(dòng)計(jì)算、特別是地表移動(dòng)參數(shù)選取方面有一定的差別。

一般來(lái)說(shuō)，地表移動(dòng)計(jì)算參數(shù)與上覆巖層性質(zhì)、開(kāi)采技術(shù)參數(shù)等因素有關(guān)，需要根據(jù)具體開(kāi)采條件進(jìn)行實(shí)測(cè)取得，或根據(jù)類(lèi)比方法進(jìn)行分析確定。自20世紀(jì)60年代末開(kāi)始，我國(guó)在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行了大量的地表移動(dòng)觀測(cè)工作，獲得了多種地質(zhì)采礦條件下的地表移動(dòng)規(guī)律和地表移動(dòng)計(jì)算參數(shù)。但是，反映多煤層、多工作面開(kāi)采的地表移動(dòng)參數(shù)還缺乏豐富的實(shí)測(cè)資料。

多煤層開(kāi)采引起的老采空區(qū)活化現(xiàn)象，很早就引起專(zhuān)家學(xué)者的關(guān)注和研究[21-23]。重復(fù)采動(dòng)時(shí)，地表最大下沉的計(jì)算公式為[22]：

Wmax=mη+msηs

(1)

式中，Wmax為重復(fù)采動(dòng)時(shí)地表最大下沉值，mm；m為下層煤開(kāi)采厚度，mm；η為初次采動(dòng)地表下沉系數(shù)；ms為老采空區(qū)煤層開(kāi)采厚度，mm；ηs為老采空區(qū)活化系數(shù)。

根據(jù)開(kāi)采沉陷理論[21]，地表移動(dòng)參數(shù)反映的是整個(gè)上覆巖層宏觀的、綜合的地質(zhì)和物理力學(xué)特征。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具體定量測(cè)定某一單一因素對(duì)地表移動(dòng)參數(shù)影響方面目前還難以實(shí)現(xiàn)。因此，只能通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析確定具體地質(zhì)采礦條件下的地表移動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律，突出主要因素的影響特點(diǎn)。借助數(shù)值模擬技術(shù)，可在一定程度上分析某些參數(shù)的變化規(guī)律。本文即是根據(jù)單一煤層和多煤層開(kāi)采地表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，并結(jié)合數(shù)值模擬分析方法，探討多煤層開(kāi)采對(duì)地表移動(dòng)參數(shù)的影響。

3.2 初次采動(dòng)多工作面開(kāi)采地表移動(dòng)參數(shù)實(shí)測(cè)

222208—222210工作面屬于上層煤初次采動(dòng)條件下多工作面采動(dòng)，累計(jì)采寬900 m，222208—222210工作面煤層平均采深為118 m，222208—222210工作面已經(jīng)達(dá)到充分采動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)概率積分法[21，24]，測(cè)線地表下沉系數(shù)和水平移動(dòng)系數(shù)的擬合曲線分別如圖5、圖6所示，擬合結(jié)果見(jiàn)表2。

圖5 222208—222210工作面測(cè)線a下沉擬合曲線

圖6 222208—222210工作面測(cè)線a地表水平移動(dòng)擬合曲線

表2 222208—222210工作面測(cè)線a參數(shù)擬合曲線

根據(jù)表2，淺埋深開(kāi)采條件下，多工作面開(kāi)采也能引起相鄰老采空區(qū)的活化，表現(xiàn)為相鄰工作面開(kāi)采后地表下沉系數(shù)的增加。但隨著工作面開(kāi)采數(shù)目進(jìn)一步增加，老采空區(qū)活化影響將有所減小。實(shí)測(cè)表明，單一煤層開(kāi)采相鄰工作面開(kāi)采主要影響角正切、開(kāi)采影響傳播系數(shù)和拐點(diǎn)偏移距比較穩(wěn)定，基本不受相鄰工作面開(kāi)采狀態(tài)影響。

3.3 重復(fù)采動(dòng)條件多工作面開(kāi)采地表移動(dòng)參數(shù)實(shí)測(cè)

414108、414109工作面相鄰，處于222201、222202工作面下方，其地表移動(dòng)參數(shù)受多工作面、多煤層重復(fù)采動(dòng)影響。根據(jù)概率積分法，地表下沉系數(shù)和水平移動(dòng)系數(shù)的擬合分別如圖7、圖8所示，擬合結(jié)果見(jiàn)表3。

圖7 414108、414109工作面測(cè)線B和測(cè)線C下沉擬合效果

圖8 414108、414109工作面測(cè)線B和測(cè)線C水平移動(dòng)擬合效果

表3 414108、414109工作面開(kāi)采測(cè)線C1—B18參數(shù)擬合結(jié)果

在淺埋深多煤層開(kāi)采條件下，與單一煤層開(kāi)采相比，受老采空區(qū)活化作用影響，下層煤開(kāi)采地表下沉系數(shù)有所增大，主要影響角正切、拐點(diǎn)偏移距增大。說(shuō)明在重復(fù)采動(dòng)影響下，上覆巖層力學(xué)性質(zhì)減弱，開(kāi)采影響范圍增大。

綜合分析，在淺埋深多煤層開(kāi)采條件下，地表移動(dòng)參數(shù)存在明顯的規(guī)律性變化特征。由于老采空區(qū)的活化作用和上覆巖層力學(xué)性質(zhì)的減弱，下沉系數(shù)、主要影響角正切明顯增大。

4 多煤層開(kāi)采覆巖破壞研究

利用離散元法對(duì)淺埋深多煤層開(kāi)采進(jìn)行數(shù)值模擬研究，淺埋深多煤層開(kāi)采覆巖移動(dòng)情況如圖9所示，222201、222202、414108、414109工作面開(kāi)采后上覆巖層裂縫分布如圖10所示?？梢?jiàn)，在淺埋深、多煤層開(kāi)采條件下，上覆巖層的破壞主要為剪切破壞和拉張破壞，地表易出現(xiàn)地裂縫等不連續(xù)變形現(xiàn)象；淺埋深、多煤層開(kāi)采上覆巖層不易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，礦山壓力小，工作面區(qū)段煤柱不易破壞，易在地表形成波浪狀下沉盆地。

圖9 淺埋深多煤層開(kāi)采覆巖移動(dòng)

圖10 222201、222202、414108、414109工作面開(kāi)采后上覆巖層裂縫分布

利用數(shù)值模擬對(duì)多煤層開(kāi)采覆巖裂縫變化的影響進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)相對(duì)位置不同，下部煤層開(kāi)采對(duì)正上方老采空區(qū)活化后覆巖裂縫增長(zhǎng)率約為17%，對(duì)側(cè)上方老采空區(qū)活化后覆巖裂縫增長(zhǎng)率約為5.6%～12.0%。綜合分析，由初次采動(dòng)影響地表下沉系數(shù)0.79，淺埋深多煤層開(kāi)采老采空區(qū)活化系數(shù)可取為0.045～0.13。

表4 工作面開(kāi)采覆巖裂縫增長(zhǎng)率

淺埋深多煤層開(kāi)采條件下，上覆巖層裂縫數(shù)量和巖層破壞范圍的增加，反映了多煤層開(kāi)采上覆巖層力學(xué)性質(zhì)的弱化特征，是造成地表下沉系數(shù)增大和開(kāi)采影響范圍變化的主要原因。淺埋深多煤層開(kāi)采數(shù)值模擬研究結(jié)果，揭示了淺埋深多煤層開(kāi)采地表移動(dòng)參數(shù)變化的機(jī)理。

5 結(jié) 論

1)淺埋深多煤層開(kāi)采條件下，地表移動(dòng)的初始期和活躍期均較短。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，雙欣礦業(yè)地表移動(dòng)初始期約0.5個(gè)月，活躍期一般為3～6個(gè)月。

2)淺埋深多煤層開(kāi)采條件下，上覆巖層的破壞主要為剪切破壞和拉張破壞，地表易出現(xiàn)地裂縫等不連續(xù)變形現(xiàn)象。工作面區(qū)段煤柱能夠保持穩(wěn)定性，對(duì)上覆巖層的移動(dòng)破壞起到控制作用，易在地表形成波浪狀下沉盆地。

3)在淺埋深多煤層開(kāi)采條件下，地表移動(dòng)參數(shù)存在明顯的規(guī)律性變化特征。受老采空區(qū)的活化作用影響，上覆巖層力學(xué)性質(zhì)減弱，下層煤開(kāi)采時(shí)地表下沉系數(shù)、主要影響角正切明顯增大。雙欣礦業(yè)淺埋深多煤層開(kāi)采老采空區(qū)活化系數(shù)可取為0.045～0.13。