不同倾角下急倾斜特厚煤层地表沉降规律研究

宋帅帅，王宏志

（新疆大学地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐830046）

0 引言

煤炭是我国的主要能源结构，在国民经济发展发挥重要作用。相对东部矿区，西部煤炭资源赋存条件较好，预测储量两万亿吨[1]。煤炭推动了我国社会经济的发展，随着工业革命的爆发、全球经济的发展，人类对于煤炭能源需求量也越来越高，煤炭的大量开采导致的一系列环境地质也愈发明显。例如：地表沉降、水土流失、地表变形、路面破坏、建筑物的破坏等等一系列的问题。在我国煤炭储量中，急倾斜煤层所占的比例不到5%，但在西北地区如新疆等一些省份中却占有相当大的比重[2]。急倾斜煤层的形成是初期地壳不均匀沉降、冲蚀作用及后期褶皱和断裂运动的结果，其地质条件是多样的。乌东煤矿煤层倾角有从45°到90°的各种变化，甚至出现倒转现象。有薄、中厚、厚及特厚煤层，多数矿井开采煤层群，一般厚度变化较大由于急倾斜煤层普遍角度大于45°，煤层的开采会引起覆岩层的弯曲和破断，进而导致了地表的沉降。随着采矿事业的发展和进行，矿产开发对于环境的破坏也越来越受到重视，目前对于大倾角厚煤层对地表沉降的研究在国内也有部分研究。冯国财[4]等学者针对断裂活动影响矿区的采煤沉降灾变问题，得出在断裂活动影响范围内地区构造应力会加剧采煤地表沉降；晁海刚[3]研究了表土层与基岩对地表沉降的影响规律，指出基岩是控制地表沉降的主要因素；高均海[5]等对深部开采地表沉降规律及机理进行了研究，指出深部不充分开采情况下，地表下沉值和速率均较小，地表下沉变化不明显；地表沉降预计是采矿界研究的热点问题之一[。近年来，有人尝试应用非线性科学理论和方法，如灰色系统理论、分形理论、人工神经网络预测模型等[9-10]，对地表沉降进行预计。再者西北地区本身生态较为脆弱，土地荒漠化、土壤盐渍化问题严重，资源的开发更加剧了这些问题的负面影响。因此本文以新疆准南煤田乌东煤矿为背景，利用U DEC数值模拟软件构建数值模型，通过对急倾斜特厚煤层开采引起的地表沉降进行分析，得出不同倾角下地表沉降的范围和大小，揭示西北生态脆弱区煤炭开采地表沉降规律，为西北急倾斜特厚煤层的大规模开采提供理论依据。

1 工作面开采地质条件

准南煤田乌东矿区位于乌鲁木齐东北部，行政区属于乌鲁木齐东山区管辖，处于山前拗陷次级褶皱八道湾向斜南北两翼，属于博格达北麓的山前丘陵带，南高北低，井田位于八道湾向斜南翼的含煤地层是中侏罗统的西山窑组，西山窑组地层呈北东-南西向带状展布，地层总厚度818.07m。含煤54层，煤层总厚度169.81m，含煤系数20.76%，经编号的煤层46层，自上而下编号为B0-B46号煤层，平均总厚度166.63m，含煤系数20.37%。其中可采、大部可采煤层25层，为B34、B33、B32、B30、B28-29、B27、B25-26、B21-24、B20、B19、B18、B17、B16、B15、B14、B13、B12、B11、B10、B9、B8、B7、B4-6、B3-4、B1-2号煤层，平均可采总厚度135.48m。含煤系数16.56%，其余煤层不可采或零星可采。本次要开采的煤层为向斜北翼+575水平45#煤层东翼工作面，向斜北翼为一向南东倾斜的单斜构造，倾角东缓西陡倾角43°～51°,位于J2x的底部，煤层最大厚度39.45m，最小厚度11.83m，煤层平均厚度28.47m，含夹矸4～11层，夹矸单层厚0.06～2.43m，结构复杂，为全区可采的较稳定煤层。

2 数值模型的建立

结合煤矿实际情况、工作面条件等，确立建立以35°、45°、60°倾斜角度煤层为数值模型进行研究。本次煤层主要开采45#号煤层，煤层基本顶与直接顶均为粉砂岩，厚度较大，强度高。45#煤层南北走向长度约为2 540m，采用水平分段技术开采。45#煤层是一组煤层组合密集的复煤层，煤层厚度最大，夹肝层数多而厚度不大，不能分层。此次开采每个水平段为20m，开采5个水平分段，共开采100m。

1）通过对煤矿现场工作面的岩石取样，将样品进行加压测试、运用公式计算得到了各个岩层和煤层基本的物理力学参数，见表1。

表1 岩石力学参数

2）模型边界条件和尺寸。结合45#煤层的现场实际开采条件、煤层的走向长度和倾向长度，同时结合直接顶、基本顶的厚度和各岩层、煤层的厚度，将模型设置为长度500m、高度300m，如下图1所示。模型设置为6层地层，采用摩尔库伦接触滑移，左右边界为约束边界，下边界为固定边界，X，Y方向位移均为0，重力加速度为9.8 m/s2，上部边界无荷载。

图1 数值模型地层分布图

3）测点的布置。在模型地表上布置50个测点，每个测点间距为10m，测点用来监测地表沉降的动态变化。

3 地表沉降规律研究

3.1 35°煤层开采对地表沉降的动态影响规律

如图2（a）所示，当35°煤层第一水平分段开采时，煤层顶板开始出现弯曲现象，随着开采的进行，煤层顶板空间应力形成重分布，煤层直接顶垮落到工作面的底板上，继而基本顶也发生垮落，上覆岩层形成离层，进而发生破断，地表出现小型的塌陷坑，塌陷坑的宽度为200m，最大地表下沉值约为7m。

如图2（b）所示，第二水平分段开采时，上一水平的煤层顶板全部垮落，在采空区形成了稳定的拱形平衡结构。此时覆岩进一步发生弯曲下沉，随后发生破断，相比于上一分段覆岩的弯曲破断更加明显，地表沉降范围进一步扩大，宽度扩大到300m左右，地表沉降最大值为9m，地表形成了盆状漏斗塌陷结构。

图2 煤层倾角35°时覆岩垮落图

如图2（c）所示第三水平开挖时，拱形平衡结构并没有发生破坏，大量顶板岩层和顶煤垮落在工作面底部上。如图2（d）、（e）所示，随着煤层开挖完毕地表沉降扩大至500m，遍布模型范围内，地表沉降最大值达到14m，形成了地表沉降盆状漏斗形沉降。

当第一水平开采完毕时，地表沉降最大值达到1.9m，第二水平开采完毕地表沉降最大值达到7.3m，第三水平开采完毕时地表沉降最大值达到11m，第四水平开采完毕地表沉降达到13m，第五水平煤层开采完毕时地表沉降达到14m，形成了先快速增长后缓慢增长的趋势，符合了大倾角煤层覆岩层垮落和地表沉降规律。

3.2 45°煤层开采对地表沉降的动态影响规律

如图3（a）所示，当45°煤层第一水平开采时，原有空间应力状态变化，煤层顶板开始发生弯曲下沉，直接顶和基本顶进而发生弯曲破断，上覆岩层出现弯曲下沉，同时地表开始沉降，地表沉降范围和深度随着工作面开采逐步扩大，开采完毕时，煤层顶板全部垮落到底板上。地表最大下沉值达到2m。当煤层开采第二水平时，如图3（b）所示，煤层顶板进一步弯曲下沉，地表沉降范围和深度逐步扩大，上覆岩层裂隙逐渐发育，覆岩变形加剧，变形幅度逐渐增加。当煤层开采第三水平时，如图3（c）所示，顶板已经完全垮落在煤层底板上，裂隙发育继续扩大，覆岩变形加剧。当煤层开采第四水平时，如图3（d）所示，地表沉降仍在继续发展，沉降范围继续扩大，地表沉降最大值逐步扩大，速率变小，此时覆岩层的变形幅度相比前几个水平较为缓慢。当煤层第五水平开采时，如图3（e）所示，地表沉降范围已经大幅度增加，地表沉降最大值也达到顶峰14m，覆岩不再继续发生明显的变形。

图3 煤层倾角45°时覆岩垮落图

3.3 60°煤层开采对地表沉降的动态影响规律

如图4（a）所示，当第一水平开采时，煤层直接顶开始缓慢下沉，顶煤垂直向下垮落，裂隙逐渐向上发育，随后直接顶发生破断，基本顶进一步弯曲下沉，开采完毕后采空区充满松散破碎的岩石，进一步压实；如图4（b）所示，当开采第二水平时，裂隙发育逐渐向上延伸，裂隙范围逐步扩大，地表沉降增加幅度变大，地表沉降最大值达到4m，增速较为明显；当第三水平开采时，如图4（c）所示，上覆岩层弯曲下沉幅度进一步扩大，采空区松散破碎岩石持续压实，此时顶板的垮落对工作面开采的影响较大；当第四水平开采时，如图4（d）所示，覆岩变形幅度变小，形成了新的拱形结构支撑着上覆岩层和煤层之间的平衡，相比于前几个水平的开采，地表沉降幅度呈现缓慢增加趋势；当第五水平开采完毕时，如图4（e）所示，地表沉降范围面积达到最大，遍布整个模型范围达到400m，地表沉降最大值达到4.2m。

图4 煤层倾角60°时覆岩垮落图

3.4 不同倾角下地表沉降最大值变化规律

由图5（a）可知，随着煤层的开采，上覆岩层不断的弯曲下沉跌落到底板，地表沉降也随着开采变大，塌陷坑逐渐扩大。当煤层为35°时地表沉降最大值出现先快速增加后缓慢增加的趋势，塌陷范围扩大到地表周围200m，塌陷深度达到14m，地表下沉值随开采水平分段的增加而增大，随着水平分段的开采，地表沉降曲线趋于平缓。当煤层为45°时，随着开采进行，地表沉降最大值先快速增加后增速缓慢，后期沉降曲线较为平缓，和35°地表沉降类似。当煤层60°时，地表沉降最大值为4.2m，远远小于35°、45°煤层地表沉降最大值，地表沉降幅度较小，覆岩变形活动幅度较小，没有形成完整的塌陷盆地。

图5 地表沉降最大值对比图

由图（b）可知地表沉降最大值随着煤层倾角的不断增大而减小，倾角越大地表沉降越小，下沉值越小，塌陷波及范围越小。当35°、45°、60°时分别为14、12、4.2m。

4 结论

1）随着煤层倾角增大，工作面开采引起的地表下沉速度呈现先增加后减小的趋势，地表沉降前期在开采影响下快速增加，在开采后期随着工作面的推进地表沉降增速逐渐变慢，沉降最大值和沉降范围增加幅度也逐渐变缓，35°、45°煤层所有水平开采完毕时，地表形成了稳定的漏斗盆状沉降结构，漏斗呈现左边较为平缓，右侧较为陡，符合大倾角煤层开采地表沉降的一般规律。

2）35°、45°、60°时地表沉降最大值分别为14、12、4.2m，煤层倾角越大开采引起的地表沉降值越小，地表沉降最大值随着煤层倾角的不断增大而减小，倾角越大地表沉降最大值越小，塌陷波及范围越小。

3）经过以上分析，煤层倾角是影响地表沉降的一个重要因素，角度越小的煤层开采引起地表变化就越明显。由于新疆地区大多是急倾斜特厚煤层，通过煤层倾角的确定就可以预测地表变形的幅度，同时对可能带来的危害进行防治。