滑动构造影响下覆岩反倾区岩层移动规律研究

胡永超，陶文朋

（1.郑州煤电股份有限公司告成煤矿，河南 登封 452477；2.郑州华辕煤业有限公司，河南 新郑 451171）

1 概述

芦店滑动系统（滑体）由二1 煤之上二叠系、三叠系地层组成，整体构造为南北两翼相背倾斜、顶部开阔平坦的背斜，背斜轴向西倾伏。以朝阳沟河为界，以东地层呈北东走向，倾向北西，倾角8°～32°，与下伏系统地层产状基本一致。朝阳沟河以西，地层走向近东西，倾向南偏西，地层倾角10°～49°，与下伏地层相对而倾，滑动构造剖面见图1。

告成煤矿正在开采的21采区正位于滑动构造反倾区域，21采区东临-110m 北翼运输大巷，南接21中央集中下山，西临23采区中央集中下山，北临25 采区。采区倾斜长度1007m，走向长度1585m，共布置6个正规的走向长壁采煤工作面，放顶煤开采工艺回采。21采区工作面的回采顺序是，21021工作面-21041工作面-21031工作面（21011工作面）-21051工作面-21061工作面。

图1 卢店滑动构造剖面

2 滑动构造影响下覆岩反倾区岩层移动数值模拟

告成煤矿21041工作面下付巷辅助流水立井等巷道揭露的二1 煤层覆岩，经技术人员现场测量，滑动构造带上方覆岩的产状为走向NE110°，倾向SW10°，覆岩倾角40°，滑动构造带影响下覆岩的产状与相关地质报告中成果吻合较好。本文以21041 工作面为例，建立计算模型，进行岩移规律分析。

2.1 告成煤矿21采区开采模型的建立

2.1.1 模型边界条件

根据告成煤矿的实际上覆岩层状况，付120剖面线横穿21采区走向中部，属于典型地质地层剖面，据此建立计算模型，模型倾向长度为1600 m，垂直高度500 m。计算模型的边界条件如下：

（1）上部边界条件：由于是直接模拟到地表，不施加任何载荷，只承受重力，但要考虑重力梯度。

（2）下部边界条件：本模型的下部边界条件简化为位移边界条件，在x方向可以运动，y方向为固定铰支座，即v=0。

（3）两侧边界条件：本模型的两侧边界条件均为实体煤岩体，简化为位移边界条件，在y方向可以运动，x方向为固定铰支座，即u=0。

有关岩层力学参数见表1。

表1 岩层力学参数

2.1.2 模型开挖步骤

（1）建立整体模型。结合理论与现场实测信息，以相关地质资料为依据进行建模，为贴近实际的反映主采煤层和其上覆岩层赋存情况，以及它们之间的空间位置关系，并考虑到消除边界效应，在原始模型两侧各留设40m 以上的边界煤柱，建立原始模型（见图2）。

图2 告成煤矿21采区开采模型

（2）按设定开采方案，开挖二1 煤层21011～21041 四个工作面。根据现场实际回采工作面顺序进行开挖。回采工作面顺序：首采21021工作面（该工作面全长155m），其次回采21041工作面（该工作面长为150m），最后开采21031，21011工作面作为配采面生产，其工作面长度分别为135m 和110m，连续开挖模型见图3。

图3 告成煤矿21采区开挖步骤

（3）由于采空区延伸至模型边界位置，对模型的开挖模拟有影响，为消除该影响且绝不能干扰工作面走向以及其停采线位置的上覆岩层移动规律，走向工作面的推进长度至少1.4倍埋深，模拟结合实测数据确定工作面的模拟有效长度为700m。

（4）为了保证模型不受边界条件约束影响，工作面必须远离边界150m 以上，设模拟工作面边界距离边界条件200m，因此，模拟工作面的停采线位于模型900m 的位置开挖。

（5）开挖后应力计算平衡。根据工程实际要求，本开挖按照实际工作面开采顺序进行，以模拟开采过程中，工作面覆岩变形、移动、垮落规律。

2.2 覆岩移动及地表变形分析

告成煤矿21采区各工作面回采过程中，煤体开挖形成采空区并破坏了岩层中原有的应力平衡，工作面上覆岩层受应力重分布影响而发生移动。通过数值模拟软件再现21041四个回采工作面采空区覆岩层移动变形的物理过程。

2.2.1 倾斜方向覆岩及地表变形规律

告成煤矿21041工作面开采后留下了150 m 的采空区。在21041工作面回采时，工作面上覆岩层中的应力环境再次发生改变，此时上覆岩层变形情况见图4，工作面顶板受上覆岩层的应力作用下，顶板滑动构造带全部垮落，显著离层区在顶板以上80m 范围，工作面垮落带区、离层裂隙带范围较大；同时，工作面上覆岩层中的地应力将集中作用于两侧煤体中，21031工作面内的煤体被孤立于采空区中，处于应力集中环境下。

图4 21041工作面开采滑动构造和反倾覆岩垮落形态移动

在21041 工作面开采过程中，工作面上覆岩层在21021工作面开采影响基础上进一步发生变形沉陷，地表沉陷加剧。由于两个工作面试跳采，所以下沉曲线中间高，两边低（见图5）。此时，地表大于10 mm 的沉陷范围为113～984m，最大下沉值接近1990mm，地表倾斜在3 mm／m 范围在105～976m，地表水平变形2mm／m 范围在137～744mm。

数值模拟显示开采21041工作面回采时，覆岩反倾区下山边界角51°，下山移动角为63°，最大下沉角93.2°。

图5 21041工作面地表移动变形曲线

2.2.2 走向方向覆岩移动及地表变形

随着21041工作面沿走向回采至停采线位置，采场顶板滑移构造带垮落严重且沿走向的范围较大；由于煤层顶板由岩石强度较差的滑移构造带组成，在21041工作面原煤开采后，顶板受上覆岩层应力作用且自身承载能力相对较弱，导致厚度达30m 的由滑移构造带构成的软弱顶板几乎全部垮落；与此同时，停采线实体煤边界附近位置的煤层和顶板受应力集中作用而发生较为明显的挤压破碎，这就扩大了滑移构造带的上覆岩层的移动空间，加剧采场的上覆岩层移动范围，对地表下沉范围的扩大起到了促进作用。

图6 21041工作面走向模型地表移动变形曲线

依据滑动构造影响下覆岩反倾区的边界角定义，由图6可知：走向方向上倾斜3mm／m 点位于距21041工作面停采线468～476 m 之间；水平变形2 mm／m 点位于距21041工作面停采线340m 附近。因此，选择最外侧的水平变形临界点来计算走向移动角，21041工作面平均采深H=420m，由此求得走向移动角为：δ=54°，走向方向上地表下沉值大于10mm 的范围在距离21041工作面停采线444m，由此求得走向边界角为δ=46°。

3 工作面回采后实测地表岩移情况

21041回采完成，地表移动稳定时的下沉曲线见图7。21041工作面最大下沉点在26＃测点，基本在工作面的中点位置，最大下沉值为2.1 m。工作面上山影响范围为20＃～26＃测点，工作面下山的影响范围为26＃～33＃测点，下沉曲线基本对称。

图7 21041工作面回采完成后地表下沉曲线

4 结语

1）通过建立覆岩反倾区下采煤岩层运动的数值模型系统研究得知，告成矿21采区滑动构造影响下覆岩反倾区的开采，由于上覆岩层存在由角砾岩组成的滑动构造带，岩石强度相对较低，工作面回采后顶板滑动构造带全部垮落，冒落带和裂缝带的范围均较大。由于反倾覆岩的存在，覆岩沿着节理面滑移，倾斜方向上冒落裂缝带的形态呈现不对称的马鞍形，冒落裂缝带的顶部偏向反倾覆岩的上山。

2）告成煤矿滑动构造影响下覆岩反倾区开采，地表下沉曲线最大下沉点偏向煤层采空区上山方向，与常规地层条件下各种角量参数相比差别较大，且移动机理不同。

〔1〕郑志刚，许建军，靳苏平，等.厚黄土区综放开采地表动态沉陷变形规律研究〔A〕.2011全国矿山测量新技术学术会议论文集〔C〕.2011.

〔2〕张广伟，朱 强，魏耀军.软弱覆岩综采地表移动变形规律初探〔A〕.全国矿山测量新技术学术会议论文集〔C〕.2009.

〔3〕李 彬，王则才.断层影响条件下岩移规律研究〔A〕.全国“三下”采煤学术会议论文集〔C〕.2008.

〔4〕邓喀中，张冬至，张周权.深部开采条件下地表沉陷预测及控制探讨〔J〕.中国矿业大学学报，2000（01）.

〔5〕邓喀中，周 鸣，谭志祥，等.采动岩体破裂规律的试验研究〔J〕.中国矿业大学学报，1998（03）.