多种因素对地表移动规律的影响分析

何鑫瑞

(山西煤炭进出口集团左云长春兴煤业有限公司，山西 大同 037100)

0 引言

3107、3111、3115工作面为相邻工作面，均位于井下3100采区上山以东，F8，F8-2断层以南。工作面主采3上煤层，下距3下煤层0～37.24 m，距三灰平均86.69 m，属较稳定煤层。煤厚0～5.02 m，平均2.47 m。该煤层结构较简单，含0～3层夹石，夹石岩性为泥岩和粉砂岩。煤层顶板多为泥岩、粉砂岩，少数为炭质泥岩。

3115工作面采宽80 m，工作面走向长度450 m。3111面采宽100 m，工作面走向长度950 m，3115、3111工作面之间留有100 m煤柱。3107工作面采宽80 m，3107工作面走向长度985 m。3111、3107工作面之间留设125 m煤柱，工作面平均采厚3.5 m，平均采深765 m。探讨煤炭开采对地表移动规律的影响因素，对于地表环境治理十分必要。

1 开采厚度对地表移动规律的影响

1.1 数值模拟方案及结果

为了使研究结果具有可比性，通过仅改变需要研究的影响因素，其他条件不变。方案设立采厚分别为1 m、3 m、5 m、7 m、9 m的5个模型，各模型采深600 m，采、留宽为120 m，采出率50%，开采3个条带工作面。各方案边界条件、岩层参数等其它影响因素均保持一致[1-2]。

1.2 模拟结果分析

模拟结果：通过对上述方案的数值模拟，统计模拟结果见表1。对模拟获取的各方案最大下沉值、最大水平移动值及下沉系数进行回归分析[3]。

表1 不同采厚下数值模拟结果

开采厚度对地表移动值的影响：地表最大下沉值与最大水平移动值随开采厚度的增加呈幂函数关系增大，地表移动情况与全采时类似。对模拟数据的回归分析，得到采厚不同时的回归函数[4-5]，即

(1)

式中：Wmax—地表最大下沉量；Umax—最大水平移动值；m—采厚。

开采厚度对下沉系数的影响：下沉系数随着采厚的增加呈幂函数减少，到达一定程度后，下沉系数变化将十分缓慢。通过对模拟数据进行回归分析，得到采厚不同时的回归函数，即

q=0.302 4m-0.613 5

(2)

影响机理分析：采厚影响到地表变形的主要原因是加大了冒落带和断裂带的高度，使覆岩破坏区域增大，传递到地表，使地表变形剧烈。大采高条采和全采对地表的变形影响取向基本一致，均是中间位置下沉量最大。在煤层倾角接近水平时，下沉曲线和水平移动曲线关于中心点对称。

2 松散层厚度对地表移动规律的影响

2.1 数值模拟方案

为了使研究结果具有可比性，仅改变需要研究的影响因素，其他条件不变。设立松散层厚度为200 m、300 m、400 m、500 m、600 m的5种数值模型，各模型设置采深3.0 m，采、留120 m，煤层倾角按水平计算，开采3个条带工作面。各方案边界条件、岩层参数等其它影响因素均保持一致[6]。

2.2 模拟结果分析

模拟结果：通过对上述各方案的数值模拟，统计模拟结果见表2。通过对模拟获取的各方案的最大下沉值、最大水平移动值及下沉系数进行回归分析。

松散层厚度对地表移动值的影响：松散层厚度与地表最大下沉值、最大水平移动值均呈线性关系，随着松散层厚度的增大下沉值与水平移动线性减小。通过对模拟数据进行回归分析，得到松散层厚度不同时地表移动值的回归函数，即

(3)

式中：h—开采深度。

表2 松散层厚度不同时数值模拟结果

松散层厚度对下沉系数的影响：下沉系数随松散层厚度的增加呈对数关系增加，即松散层厚度越大，下沉系数越大。通过对模拟数据进行回归分析，得到松散层厚度不同时下沉系数的回归函数，即

q=0.038 4ln(n)-0.066 1

(4)

3 弹性模量对地表移动规律的影响

3.1 数值模拟方案

为了使研究结果具有可比性，仅改变需要研究的影响因素，其他条件不变，方案制定如下[7]。

直接顶弹性模量不同：设立直接顶弹性模量为0.5 GPa、1.0 GPa、1.5 GPa、3.0 GPa、4.0 GPa的5个模拟模型，各模型采深600 m，采、留宽120 m，采出率50%，煤厚3.0 m，开采3个条带工作面。各方案边界条件、岩层参数等影响因素均保持一致。

基本顶弹性模量不同：设立基本顶弹性模量6 GPa、12 GPa、24 GPa、36 GPa、48 GPa的5个模拟模型，各模型采深为600 m，采、留宽120 m，采出率50%，煤厚3.0 m，开采3个条带工作面。各方案边界条件、岩层参数等影响因素均保持一致。

煤层弹性模量不同：设立基本顶弹性模量为0.3 GPa、0.6 GPa、0.9 GPa、1.8 GPa、2.4 GPa的5个模拟模型，各模型采深600 m，采、留宽120 m，采出率50%，煤厚3.0 m，开采3个条带工作面。各方案边界条件、岩层参数等影响因素均保持一致。

上覆岩层整体弹性模量不同：设立基本顶弹性模量为6 GPa、12 GPa、24 GPa、36 GPa、48 GPa的5个模拟模型，各模型采深为600 m，采、留宽120 m，采出率50%，煤厚3.0 m，开采3个条带工作面。各方案边界条件、岩层参数等其它影响因素均保持一致。

3.2 模拟结果分析

直接顶弹模不同时的影响：通过数值模拟，统计模拟结果见表3。通过对模拟获取的各方案的最大下沉值、最大水平移动值及下沉系数进行回归分析得到直接顶弹模不同时的回归函数。即

(5)

表3 直接顶弹模不同时数值模拟结果

基本顶弹模不同时的影响：通过数值模拟，统计模拟结果见表4。通过对模拟获取的各方案的最大下沉值、最大水平移动值及下沉系数进行回归分析。通过对模拟数据进行回归分析，得到基本顶弹模不同时的回归函数，即

表4 基本顶弹模不同时数值模拟结果

(6)

煤层弹模不同时的影响：通过数值模拟，统计模拟结果见表5。通过对模拟获取的各方案的最大下沉值、最大水平移动值及下沉系数进行回归分析。通过对模拟数据进行回归分析，得到煤层弹模不同时的回归函数，即

(7)

上覆岩层整体弹模不同时的影响：通过数值模拟，统计模拟结果见表6。通过对模拟获取的各方案的最大下沉值、最大水平移动值及下沉系数进行回归分析。

表6 上覆岩层整体弹模不同时数值模拟结果

通过对模拟数据进行回归分析，得到上覆岩层整体弹模不同的回归函数，即

(8)

弹性模量对地表移动的影响规律：①无论改变哪一岩层的弹性模量，地表最大下沉值、最大水平移动及下沉系数都是随着弹性模量的增大而减小。这是因为弹性模量大的岩层硬度较强，在外力荷载的作用下，支撑作用较强，表现在地表上是移动值的减小；②改变不同层位岩石的弹性模量，对地表的影响系数是不同的。从分析数据可以看出，越接近煤层的岩层(如直接顶)对地表变形情况及下沉系数的影响程度越大，而改变距离开采煤层较远的岩层，影响程度相对较小。

4 结语

文中对影响煤层开采过程中引起地表运移的影响因素进行分析，包括：煤层采厚、煤层采深、煤层围岩弹性模量等，建立了数值模型，为分析煤层开采引起地表运移分析提供支撑。但文中采用数值模拟研究是在对地质采矿条件作一定简化的条件下得出的结论，对其它特殊地质采矿条件下(如急倾斜煤层、断层、褶曲等)仍需作进一步分析和研究，建立大采深宽条带开采优化设计理论，指导煤矿生产实践，从而在保证地面建筑物不损害或少损害的前提下，提高资源采出率和开采效益。