山地下煤层开采地表移动变形规律分析

李晋军

(忻州市煤田地质勘探队,山西 忻州 034000)

山地下煤层开采地表移动变形规律分析

李晋军

(忻州市煤田地质勘探队,山西 忻州 034000)

针对山地下煤层开采地表下沉测量预测困难的问题,采用数值模拟、理论分析和现场实测方法,对山地下煤层开采地表移动机理、移动变形特征进行研究。研究表明:1)山地煤层开采地表岩层极易受坡度因素影响,稳定性变差出现沿坡面下滑现象,地表位移增加滑移分量;2)山地地表下沉曲线有明显相关性,随山地坡度增大,开采后地表下沉量增大、下沉曲线斜率增大,地表坡度出现变化时,下沉曲线同时出现拐点;3)持续开采后地表受采动影响范围增大,地表出现水平位移的正负值交替,正值位于山坡顶部,分布范围相对较小,负值位于山体及谷底,分布范围较大。

山地煤层开采;地表运移;变形机理;运移特征

我国中西部地区煤炭资源赋存丰富,井田地表地形复杂多样,不同地表形态下开采覆岩活动规律差异巨大,地表沉陷也不相同。山地由陡坡、沟谷和山顶等组成,分布广泛,国内外学者对山地赋存煤层开采地表运移进行大量研究[1]。受测量手段及地形复杂限制,目前对山地煤层开采地表运移精确测量预测尚未有效掌握[2-3],大大削弱对山地地表建筑物防护及控制效果,造成留设煤柱的资源浪费和地表建筑物的损伤,因此,对山地煤层开采地表移动规律研究具有重要意义。

本文以山西西曲矿山地下煤层开采为研究背景,分析山地煤层开采地表移动现场实测数据和岩层运移数值模拟结果,归纳山地煤层开采覆岩活动规律和地表运移特征,对山地煤层开采地表破坏进行预测。通过对山地条件下煤层开采地表破坏变形规律预测,为地表建筑物保护、开采损害控制和防治等提供借鉴。

1 山地煤层开采地表移动机理

已有研究表明,山地地表存在坡度时,地表岩层极易受坡度因素影响,稳定性变差,出现沿坡面下滑现象,在不同介质接触面上滑移更为明显,如表土层与基岩接触面;移动呈S型轨迹,且滑移向量与山地坡度及分布位置有关。山地不同位置处,地表移动差异明显,在单一坡度的山坡上,受重力沿坡度方向分量影响产生向下坡坡底方向的移动,见图1;坡度出现两次或多次变化时,即山地出现隆起和沟谷分布,受此影响地表滑移中大小和方向出现突变，见图2。

图1 地形与附加滑移水平分量关系Fig.1 Relationship between terrain and the horizontal component of additional slip

图2 地形与附加滑移垂直分量关系Fig.2 Relationship between terrain and the vertical component of additional slip

山地下煤层开采地表移动变形Q(x)由采动分量P(x)和滑移分量R(x)组成,即Q(x)=P(x)+R(x)。可见受山地地形影响,煤层开采地表运移具有特殊性,主要由滑移分量参数表示。滑移参数受地表岩层坡度、推进方向与坡度夹角、采煤方法、采空区处理方式等影响。将地表移动分为垂直分量W(x)与水平分量U(x),山地下煤层开采地表移动变形可表示为:

W(x)=W′(x)+ΔW(x) .

(1)

U(x)=U′(x)+ΔU(x) .

(2)

式中:W(x),U(x)为山地下煤层开采地表移动变形垂直分量、水平分量,mm;W′(x),U′(x)为水平地表下煤层开采地表移动变形垂直分量、水平分量,mm;ΔW(x),ΔU(x)为山地下煤层开采地表附加滑移垂直分量、水平分量,mm。

由上述公式可知:山地特殊赋存条件下,地表水平移动受工作面回采推进方向与地表坡度关系影响明显。当推进方向与倾向同向时,水平移动为正值,且在移动盆地中心不为零;而推进方向与倾向背向时,坡度倾角越大,水平移动值由负值变为正负交替情况,而正值为坡度拐点变化处。

山地特殊赋存特征下,山坡地表移动出现滑移分量,由此山地下煤层开采地表移动范围远大于水平地表赋存条件。按坡度方向,与水平赋存条件下相比,山地条件下地表移动范围增加值下坡比上坡方向更大。

2 山地煤层开采地表移动实测

山西西曲矿受吕梁山脉影响,井田内地表地形复杂、沟谷发育,井田地势落差较大,达到200 m～300 m。18402工作面地表为山地地形,工作面范围内地表最大标高为1 258 m、最低为1 170 m,地表走势见图3。为研究山地地形下煤层开采地表活动规律,在工作面范围内布置倾向测站26个、走向测站31个,同时布置倾向测站控制点2个，走向测站控制点3个,在2011年9月到2012年4月回采期间采用GPS测量方法实时监测地表变形量。

图3 西曲矿18402工作面地表走势曲线Fig.3 Surface trend of No.18402 working face in Xiqu Mine

通过记录的回采期间地表岩层下沉、倾斜值,得到图4、图5所示变形曲线。在图4地表下沉曲线中,在A5、A16处出现峰值,下沉量分别达到1 700 mm和1 600 mm;在A5、A9、A14处下沉曲线分别出现拐点,对应于地表沟谷地形的变化。

随回采推进工作面采空区范围不断增大,地表下沉逐渐增大,在地表地形出现拐点处下沉曲线出现拐点。与图3地表走势曲线相对应,山地地表下沉曲线有明显相关性,随山地坡度增大,开采后地表下沉量增大、下沉曲线斜率增大;地表坡度出现变化时,下沉曲线同时出现拐点;地表下沉受工作面布置方式影响。

图4 山地开采地表下沉曲线Fig.4 Surface subsidence curve of mountainous coal mining

图5 山地开采地表倾斜曲线Fig.5 Surface tilting curve of mountainous coal mining

在图5倾向曲线中,持续开采后地表受采动影响范围增大,地表运移倾斜曲线出现正负交替,整体值增大。在正向,倾斜曲线在A3、A9、A17先后出现峰值,达到4 mm/m、7 mm/m和2.5 mm/m,随后转为负值。在负向,倾斜曲线先后在A7、A15、A19出现峰值,最大倾斜值达到-22 mm/m。

3 山地煤层开采地表移动数值模拟研究

根据地表地形变化建立FLAC3D模型,分析山地煤层开采地表垂直位移和水平位移,得到山地煤层开采地表移动规律[4-5]。模型走向长2 030 m,宽度10 m,底面高程为922 m,地面标高为1 159 m～1 329 m。对模型底板施加水平和垂直约束,地表山地为自由边界。

3.1垂直位移

运算平衡后进行煤炭回采,最终平衡后得到山地煤层开采垂直位移变化,见图6。由图6看出回采范围内覆岩及地表均出现明显下沉表现出“三带”分布特征,由煤层向地表垂直位移变小,地表为1 m～2 m。对应地面沟谷位置,下沉云图出现拐点,沟谷两侧地表垂直位移均大于谷底值。受地表坡度向右影响,地表向右侧移动偏大。

图6 山地开采地表垂直位移分布Fig.6 Surface vertical displacement distribution of mountainous coal mining

3.2水平位移

对图7地表水平位移进行分析,地表出现水平位移的正负值交替,正值位于山坡顶部、分布范围相对较小;负值位于山体及谷底,分布范围较大。部分谷底处地表水平位移急剧增大,最大值达到-0.6 m,普遍大于-0.4 m。地表移动水平位移正值小于负值,坡顶最大正值小于0.4 m。模拟中水平位移变化与实测基本一致,位移变化拐点位置及变化值均较好对应。

图7 山地开采地表水平位移分布Fig.7 Surface horizontal displacement distribution of mountainous coal mining

4 结论

1)地下煤炭开挖后上覆岩层失去支撑依次发生垮塌直至地表岩层,山地煤层开采地表岩层极易受坡度因素影响,稳定性变差出现沿坡面下滑现象,地表位移增加滑移分量。

2)山地地表下沉曲线有明显相关性,随山地坡度增大,开采后地表下沉量增大、下沉曲线斜率增大;地表坡度出现变化时,下沉曲线同时出现拐点;地表下沉受工作面布置方式影响。

3)持续开采后地表受采动影响范围增大,地表出现水平位移的正负值交替,正值位于山坡顶部、分布范围相对较小;负值位于山体及谷底,分布范围较大。

[1] 马荷雯,刘长星.深埋煤层采动山区地表移动规律实测研究[J].煤炭技术,2015,34(12):104-106.

MA Hewen，LIU Changxing.Study on Surface Ground Movement Measure of Mountain Mining in Depth Medium Thick Seam[J].Coal Technology,2015,34(12):104-106.

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WANG Qichun,LI Tianhe,GUO Guangli.Study on Seam Inclination Variation Affected to Ground Surface Movement Law in Base Rock Exposed Mountain Area[J].Coal Science and Technology，2016，44(9):155-160.

[3] 廉旭刚,胡海峰,郭博婷.山区开采地表动态移动变形规律[J].金属矿山，2016,23(9):151-156.

LIAN Xugang，HU Haifeng，GUO Boting.Regularities of Surface Dynamic Movement and Deformation Induced by Mining in Mountainous Area[J].Metal Mine，2016,23(9):151-156.

[4] 胡琪.不同地形条件地下开采引起地表移动与变形的对比分析[D].太原:太原理工大学,2014.

[5] 陈炳乾,邓喀中,范洪冬.基于D-InSAR技术和SVR算法的开采沉陷监测与预计[J].中国矿业大学学报,2014,43(5):880-886.

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SurfaceMovementandDeformationLawofMountainousCoalSeamMining

LIJinjun

(XinzhouCoalGeologicalExplorationTeam，Xinzhou034000，China)

Because of the difficult measurement of surface subsidence in mountainous coal mining，numerical simulation，theoretical analysis and field measurement are adopted to study surface movement mechanism and movement deformation characteristics.The results show that:1) With the surface strata of the mountainous coal seam highly susceptible to the influence of slope，its stability declines along the slope and the slip component of the surface displacement increases.2) The subsidence curve of the mountain surface and the slope correlate significantly.Surface subsidence and the curve slope increase with the mountain slope; the inflection point of the curve appears when the surface slope turns.3) After continuous mining，the influenced range of mining has increased.The positive and negative values of horizontal displacement alternately appear.While the positive value distribution，relatively small，is locating at the hilltop，the negative value distribution，larger，is located in the mountain and valley bottom.

mountainous coal mining;surface movement;deformation mechanism;migration characteristics

1672-5050(2017)02-0032-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.04.009

2016-12-08

李晋军(1973-)，男，山西岢岚人，大学本科，工程师，从事地质和测量工作。

TD325

A

(编辑:樊 敏)