亭南煤礦巨厚基巖厚黃土層山區(qū)地表移動(dòng)規(guī)律研究

成 飛,劉俊杰,陳 兵

(1.黃陵礦業(yè)集團(tuán)有限公司 一號(hào)煤礦, 陜西 延安 710000;2.西安科技大學(xué), 陜西 西安 710054;3.陜煤榆北煤業(yè) 信息化運(yùn)維分公司, 陜西 榆林 719000)

亭南煤礦二盤區(qū)開采涉及地表村莊下壓煤開采問題,最大限度開采壓覆煤炭資源是亭南煤礦今后面臨的主要問題[1]. 掌握二盤區(qū)的地表移動(dòng)下沉規(guī)律是實(shí)現(xiàn)村莊下安全采煤的基礎(chǔ),而二盤區(qū)特殊的山區(qū)黃土溝壑地貌增加了掌握地表移動(dòng)變形規(guī)律的難度。分析我國學(xué)者在山區(qū)地表移動(dòng)下沉規(guī)律研究方面取得的成果,能夠?yàn)檠芯客つ厦旱V二盤區(qū)地表移動(dòng)下沉規(guī)律提供借鑒。何萬龍等利用疊加原理,結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)建立地表移動(dòng)滑移變形模型,對(duì)典型地貌采動(dòng)滑移特征進(jìn)行分析研究[2]. 藍(lán)航等利用計(jì)算機(jī)模擬研究山區(qū)地表移動(dòng)下沉規(guī)律,認(rèn)為山區(qū)地表與普通地表移動(dòng)下沉的差異在于坡體的滑移[3]. 余學(xué)義等針對(duì)彬長礦區(qū)厚基巖厚黃土層的特點(diǎn),利用分層傳遞理論修正了概率積分公式[4]. 劉輝等依據(jù)溝谷坡度和位置建立數(shù)值模型,對(duì)采煤引起的地表裂縫分布規(guī)律進(jìn)行研究[5].李飛等采用實(shí)測與模擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究順坡和逆坡兩種方式下地表移動(dòng)變形情況[6]. 趙兵朝等通過對(duì)麟游郭家河煤礦地表移動(dòng)進(jìn)行觀測,得出山區(qū)地表滑移是地表移動(dòng)下沉的重要分量[7]. 因此,借鑒以上研究成果對(duì)亭南煤礦二盤區(qū)山區(qū)地表移動(dòng)下沉規(guī)律進(jìn)行研究,以期能夠全面掌握二盤區(qū)山區(qū)地表移動(dòng)下沉規(guī)律,為二盤區(qū)解放壓覆煤炭資源安全開采提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況

亭南煤礦位于彬長礦區(qū),二盤區(qū)為今后10年的主采盤區(qū),盤區(qū)覆巖為中硬巨厚洛河組砂巖,地表為山區(qū)黃土溝壑地貌,黃土厚度分布差異較大,部分區(qū)域分布有達(dá)100 m的巨厚黃土層。二盤區(qū)主采4號(hào)煤,煤層平均厚度15.03 m,平均埋深650 m,傾角3°,為近水平煤層,采用分層大采高開采工藝,采高5～6 m,開采順序204至208工作面,工作面長度接近200 m. 二盤區(qū)覆巖距離煤層頂板高位賦存有巨厚而堅(jiān)硬的洛河組砂巖,屬高位厚硬巖層賦存條件。

2 覆巖結(jié)構(gòu)特征分析

通過分析二盤區(qū)綜合地質(zhì)柱狀圖,二盤區(qū)地層上部為黃土松散層,松散層下部為洛河組砂巖,再往下為粉砂巖、泥巖,由上至下呈現(xiàn)“軟-硬-軟-軟”的結(jié)構(gòu)特征。其中位于白堊系下統(tǒng)的洛河組砂巖厚度達(dá)300 m,距離煤層頂板179 m,高位巨厚洛河組砂巖巖性以中硬巖層為主,屬于典型的彬長礦區(qū)覆巖特征。

覆巖堅(jiān)硬程度與開采影響范圍呈正相關(guān),巖層在受力變形或破壞時(shí),較堅(jiān)硬的覆巖會(huì)形成數(shù)量較多的順層及垂直層面的裂縫。所以,在不考慮其他因素的影響下,巖性越硬則地表下沉愈不明顯,地表最大下沉值越小。洛河組砂巖的厚度及硬度控制著地表移動(dòng),同時(shí)對(duì)地表開采的充分性發(fā)揮著重要作用。針對(duì)以上特殊的覆巖結(jié)構(gòu)特征,運(yùn)用關(guān)鍵層理論對(duì)覆巖進(jìn)行判定,結(jié)果見表1.

表1 覆巖巖性及關(guān)鍵層判定結(jié)果表

由表1可知,二盤區(qū)覆巖中存在5層關(guān)鍵層,下位4層亞關(guān)鍵層,上位1層主關(guān)鍵層。依據(jù)關(guān)鍵層理論結(jié)合關(guān)鍵層位置分析,認(rèn)為煤層開采后亞關(guān)鍵層僅對(duì)煤層上覆局部巖層起控制作用,隨著開采范圍增大,所有亞關(guān)鍵層會(huì)自下而上逐步破斷,逐漸失去對(duì)上覆巖層的控制作用。而主關(guān)鍵層對(duì)其上覆所有巖層起主要控制作用,主關(guān)鍵層的穩(wěn)定性決定了覆巖及地表整體的穩(wěn)定性。當(dāng)開采范圍較小時(shí),地表移動(dòng)下沉主要受亞關(guān)鍵層控制;隨著開采范圍的增大,下位亞關(guān)鍵層破斷后,地表移動(dòng)下沉主要受主關(guān)鍵層控制,主關(guān)鍵層最終狀態(tài)決定了地表移動(dòng)下沉的最終狀態(tài)。綜合二盤區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)特征可知,采深越大,關(guān)鍵層數(shù)量越多,地表越不易達(dá)到充分采動(dòng)。

3 地表移動(dòng)觀測

3.1 觀測線路布設(shè)

根據(jù)二盤區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)特性及地表松散層分布情況,參考亭南礦一盤區(qū)觀測成果,地表移動(dòng)參數(shù)選取如下:上山移動(dòng)角γ取75°,下山移動(dòng)角β取75°,走向移動(dòng)角δ取75°,松散層移動(dòng)角φ取45°. 依據(jù)上述參數(shù)經(jīng)過計(jì)算,觀測線布置見圖1. 圖中布置3條觀測線,每條觀測線上測點(diǎn)間距30 m,其中A觀測線長度840 m;B觀測線長度930 m,沿傾向投影長度為784 m.

圖1 觀測線布設(shè)圖

3.2 觀測結(jié)果分析

204工作面開采后,地表移動(dòng)變形參數(shù)見表2,地表下沉率0.046,水平移動(dòng)系數(shù)0.337,屬于極不充分采動(dòng)。

表2 204工作面地表移動(dòng)變形參數(shù)表

205工作面開采后,A測線地表下沉與水平移動(dòng),見圖2中w、u. 傾向地表下沉達(dá)到最大值900 mm(A27),下沉率0.16;最大水平移動(dòng)值達(dá)到187 mm(A21),水平移動(dòng)系數(shù)0.337. B測線地表下沉與水平移動(dòng)分布見圖3. 地表下沉最大值1177 mm(B6),最大下沉率0.22,地表最大水平移動(dòng)值-687.2 mm(B13),水平移動(dòng)系數(shù)0.58,屬于非充分采動(dòng)。B測線比A測線地表移動(dòng)下沉劇烈的原因是,B測線地表為山區(qū)地形黃土覆蓋層較厚,黃土層出現(xiàn)滑移導(dǎo)致[8].

圖2 204、205工作面開采A測線地表移動(dòng)曲線圖

通過對(duì)上述觀測結(jié)果分析,204、205工作面開采以后地表出現(xiàn)下沉盆地,通過分析觀測結(jié)果,認(rèn)為204、205工作面受開采影響,均出現(xiàn)下沉,但204工作面開采后下沉系數(shù)很小只有0.046,雖然開采尺寸超出常規(guī)極不充分采動(dòng)尺寸,但是地表移動(dòng)變形特征依然符合極不充分采動(dòng)條件,結(jié)合文獻(xiàn)[9]覆巖破壞演化規(guī)律分析認(rèn)為,204工作面開采以后下位亞關(guān)鍵層發(fā)生破斷,但上位亞關(guān)鍵層及主關(guān)鍵層未發(fā)生破斷,依然控制著上覆巖層,因此204工作面開采后地表變形以覆巖撓曲變形為主,移動(dòng)下沉較小。205工作面開采后雖然開采尺寸接近常規(guī)條件下充分采動(dòng)尺寸,但是依然未達(dá)到充分采動(dòng),下沉率偏小。此時(shí)下位及上位4個(gè)亞關(guān)鍵層全部破斷,但主關(guān)鍵層未破斷,地表移動(dòng)下沉受關(guān)鍵層影響較大,尚未達(dá)到該區(qū)域最大值。

4 離散元數(shù)值模擬分析

鑒于工作面開采進(jìn)度及觀測結(jié)果,目前尚未達(dá)到充分采動(dòng),地表移動(dòng)變形情況未達(dá)到研究區(qū)最大值,因此利用數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)地表移動(dòng)規(guī)律展開進(jìn)一步研究。該數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)以二盤區(qū)開采條件為基礎(chǔ),采用離散元程序UDEC進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)連續(xù)開采204—208五個(gè)工作面,模擬研究二盤區(qū)傾向大面積開采地表移動(dòng)變形規(guī)律。通過對(duì)比分析204、205工作面地表移動(dòng)下沉模擬情況,選取模擬參數(shù),進(jìn)而開展206—208三個(gè)工作面模擬開采,分析研究二盤區(qū)地表移動(dòng)下沉規(guī)律。

模型參照盤區(qū)鉆孔數(shù)據(jù)及巖性資料建立,模型尺寸為1820 m×641.9 m,模擬白堊系(包含洛河組和宜君組)巖層厚度為339.5 m,松散層厚度0～137 m,工作面寬度200 m,開采高度6 m,在模型表面布置測點(diǎn),模型選取巖性參數(shù)見表3.

表3 巖性選取參數(shù)表

4.1 205工作面開采模擬實(shí)測對(duì)比分析

204、205工作面開采后,地表下沉最大值分別為270 mm、1205 mm,與實(shí)測結(jié)果一致,偏向于204工作面,受黃土滑移影響明顯。地表下沉曲線與實(shí)測曲線見圖4,模擬曲線與實(shí)測基本吻合,說明模擬參數(shù)選取合理,能夠反映研究區(qū)真實(shí)地表沉陷情況。

圖4 204、205工作面開采模擬與實(shí)測對(duì)比曲線圖

4.2 多工作面開采模擬分析

多工作面開采地表下沉模擬曲線見圖5. 206工作面開采后,傾向開采尺寸達(dá)到660 m,傾向?qū)捝畋葹?.95～1.45,接近1.2～1.4,但地表最大下沉值為2350 mm,下沉率僅為0.392,為非充分采動(dòng)狀態(tài);207工作面開采后,傾向開采尺寸達(dá)890 m,寬深比為1.28～1.95,地表最大下沉值為3149 mm,下沉率為0.525;208工作面開采后,地表最大下沉值3149 mm,地表下沉率為0.525,與207工作面開采后下沉值一致,表明207工作面開采后達(dá)到充分采動(dòng),說明在二盤區(qū)特殊覆巖結(jié)構(gòu)下達(dá)到充分采動(dòng)比常規(guī)開采尺寸要大,綜合分析寬深比為1.5.

圖5 多工作面開采地表下沉曲線圖

5 結(jié) 論

1) 204工作面開采超出極不充分采動(dòng)條件,但地表移動(dòng)變形表現(xiàn)為極不充分采動(dòng)特征;205工作面開采尺寸接近充分采動(dòng)開采尺寸,但地表下沉值遠(yuǎn)未達(dá)到該地質(zhì)條件下的最大值。究其原因,二盤區(qū)開采地表移動(dòng)下沉主要由高位巨厚洛河組砂巖控制,覆巖破壞未貫穿該層位時(shí),地表移動(dòng)下沉較小,該巖層完全破斷后地表下沉才能達(dá)到最大值。

2) 二盤區(qū)3種采動(dòng)狀態(tài)下下沉率分別為0.046、0.22、0.525,下沉率較常規(guī)條件較小。最大下沉值與關(guān)鍵層破斷基本一致,受關(guān)鍵層影響明顯。厚硬覆巖及多層關(guān)鍵層影響地表采動(dòng)狀態(tài),寬深比達(dá)到1.5時(shí)才達(dá)到充分采動(dòng)。

3) 開采煤層上覆巖層移動(dòng)變形發(fā)育到洛河組砂巖時(shí),這種移動(dòng)變形轉(zhuǎn)變?yōu)槁搴咏M砂巖撓曲變形,地表移動(dòng)變形受洛河組砂巖的撓曲變形控制。因此,較常規(guī)條件下二盤區(qū)地表3種采動(dòng)狀態(tài)下的開采尺寸均變大。