巨厚松散层下综采工作面地表沉陷规律及其采厚效应

2021-11-18李开鑫柳昌涛王昊楠

矿山测量 2021年5期

李开鑫, 柳昌涛, 王昊楠

(1.山东科技大学测绘科学与工程学院，山东青岛 266590；2.山东科技大学能源与矿业工程学院，山东青岛 266590)

煤炭资源对我国国民经济的发展起着至关重要的作用，大量的煤炭从地下采出形成大范围的采空区，导致原始的力学平衡状态被打破，致使上覆岩层产生破断、垮落和弯曲，由下而上传递至地表，导致地表的移动与沉陷[1]。大量现场实测与理论研究表明[2-4]：巨厚松散层下开采引起的地表沉陷规律与一般地质条件有所差异，主要表现为下沉系数偏大，开采损害加剧等。在厚松散层地表下沉规律的研究方面，王金庄等[5-6]对厚松散层条件下开采沉陷规律进行研究，并得出了一些有益的结论；谭志祥等[7]通过对观测资料的分析研究，获得了高强度综放工作面开采时的地表移动变形规律、各种角值参数和预计参数；刘义新等[8]通过数值模拟研究表明松散层为有流变性的松散介质，巨厚松散层下深部宽条带开采时地表不易形成波浪型下沉盆地；郭文兵等[9]基于现场实测资料研究了厚湿陷黄土层条件下开采地表动态移动特征，提出了超前裂缝角及超前裂缝距的概念，对地表裂缝特征进行进一步的分析；王启春等[10]分析研究了厚松散层下矸石充填开采地表移动规律；张文泉等[11]基于FLAC3D建立三维数值模型，采用正交实验法对采出率、采宽、基岩厚度、松散层厚度及采厚等5个因素进行重要性排序，并通过回归分析得到地表最大下沉值及下沉系数与各因素的综合函数表达式；赵高博等[12]采用三维数值模拟对覆岩破坏特征及地表沉降规律进行了综合分析，并用概率积分法和现场实测数据对数值模拟结果的有效性进行验证。笔者在前人研究的基础之上，通过在彭庄煤矿建立地表移动观测站获取实测数据，分析了在非充分采动条件下，巨厚松散层下开采地表下沉盆地的发育情况及地表移动动态参数特征，在此基础之上依托FLAC3D数值模拟分析了充分采动下地表下沉及移动变形情况，并进一步研究了巨厚松散层下开采地表沉陷的采厚效应，为今后类似地质采矿条件下开采对地表建筑物的保护提供理论参考。

1 地质采矿条件

彭庄煤矿位于山东省西南部，南距嘉祥县城32 km，西距郓城县14 km，行政区划属菏泽市郓城县及济宁市嘉祥县管辖，大部分在郓城县境内。彭庄井田位于巨野煤田东北部，是巨野煤田规划建设的7个井田之一，其西与郭屯井田、郓城井田相邻，其东部为梁宝寺井田，该井田属于第四系全覆盖区，含煤地层为下二迭统山西组和上石炭统太原组。该矿1301工作面为首采工作面，倾向长150 m，走向长1 350 m，煤层平均厚2.66 m，煤层倾角3°～6°，煤层结构较为简单，平均埋深为450 m，第四系松散层厚度约为350 m，属于巨厚松散层条件下开采的工作面，工作面采用倾斜长壁综采放顶煤方式开采，全部垮落法管理顶板。

2 地表观测站布置

地表移动观测站设立于彭庄煤矿1301工作面的正上方，测区内地表基本平坦，地面标高在41 m左右。1301工作面是该矿的第一个工作面，为了充分反映地表移动与变形规律，沿矿体走向和倾向主断面布设了两条观测线，观测线均足够长，但走向观测线南段由于受村庄影响，部分点位偏离主断面，并且观测点位没有超出影响范围。走向观测线共设测点57个，编号顺序为Z1～Z57，倾向观测线共设测点35个，编号顺序为H1～H35，测点及观测线与工作面的位置关系如图1所示。

图1 地表移动观测站布设示意图

3 地表移动变形特征与规律分析

3.1 地表沉陷盆地特征分析

为全面了解地表下沉及移动的全过程，自地表观测站设站以来，共进行了17次水准测量、3次全面观测。1301工作面地表移动观测站不同时期下沉曲线及水平移动曲线如图2、图3所示,整个沉降过程中未有突变现象，下沉盆地形似锅形。由于工作面回采范围的限制，地表未出现平底现象，即开采未达到充分采动，但在走向观测线方向略显出平底现象。最终下沉盆地最大下沉值为609 mm，最大水平移动值为220 mm，将开采引起的地表移动变形观测结果作为已知条件，利用概率积分法通过对实测资料的曲线拟合，求取得到适用于该地质采矿技术条件下充分采动时计算参数为：下沉系数q0=0.90，水平移动系数b0=0.25，主要影响角正切tanβ0=1.6。与一般的地质采矿条件相比，巨厚松散层下开采地表下沉系数明显增大，其原因在于松散层无承载力，基岩在巨厚松散层提供的巨大载荷及自重影响下，容易发生移动变形或破断，导致下沉量的增大；因松散层具有流变特性，地表移动变形的影响范围也同样较大。

图2 地表下沉曲线

图3 水平移动曲线

3.2 地表移动动态参数特征分析

在回采工作面推进过程中，工作面前方的地表受采动影响而下沉，此现象称为超前影响，通常用超前影响距和超前影响角表示。通过对1301工作面推进过程中的地表移动变形观测发现，2007年1月20日观测的回采工作面前方Z28号测点下沉15 mm，Z27号测点下沉8 mm，此时的超前影响距为292.107 m；2007年2月6日观测的回采工作面前方Z27号测点下沉15 mm，H19号测点下沉8 mm，此时的超前影响距约为286.494 m；2007年3月20日观测的回采工作面前方Z25号测点下沉11 mm，Z24号测点下沉7 mm，分析可得，此时的超前影响距约为291.776 m。由此可计算得出，1301工作面开采后的最大超前影响距离为290 m，是平均采深的0.6倍，超前影响角为57.17°左右。

当地表达到充分采动后，在地表下沉速度曲线上，最大下沉速度总是滞后于回采工作面一个固定的距离，这个固定距离称为最大下沉速度滞后距，这种现象称为最大下沉速度滞后。地表最大下沉速度点与相应的回采工作面连线和煤层在采空区一侧的夹角称为最大下沉速度滞后角。由于1301工作面受开采范围的限制，没有达到充分采动，故以非充分采动时，具有最大下沉速度的点与回采工作面的距离和角度来代替最大下沉速度滞后距和最大下沉速度滞后角。根据各次监测和观测结果的分析计算，1301工作面开采后，于2007年5月22日的观测值与上期的观测值计算发现，H19号测点具有最大下沉速度，最大下沉速度为11 mm/d，如图4所示，此时，1301工作面的推进位置超前于测点的水平距离为115 m，即最大下沉速度滞后距为115 m，约为平均开采深度的0.26倍，最大下沉速度滞后角为75.62°。

图4 H19号测点在整个移动过程中的下沉速度变化

4 数值模拟

由于1301回采工作面开采的煤层倾角小，近似为水平煤层，同时，开采区域未达到充分采动，因此通过对实测资料进行综合整理分析，利用FLAC3D数值模拟方法，来确定1301回采工作面开采引起的地表移动变形在充分采动条件下的情况，并进一步分析不同开采厚度条件下的地表下沉及水平移动。

4.1 数值模拟设计

以彭庄煤矿1301工作面为研究对象，结合已收集到的地质资料及观测站实测资料，运用FLAC3D数值模拟软件对不同采厚地表下沉及水平移动情况进行分析，各岩层的物理力学参数如表1所示。模型以煤层走向为x轴，倾向为y轴，重力方向为z轴，走向长度为1 350 m，倾向长度为150 m。为了防止边界效应对模拟结果的影响，沿着工作面走向方向、倾向方向分别向外扩展200 m，建立模型图如图5所示。模型底部和四周边界均固定位移，模型上边界自由，本构模型选择摩尔-库伦模型。

表1 岩层力学参数表

图5 数值计算模型

本次数值模拟实验共设计五个方案，模拟采厚分别为2.6 m、3.6 m、4.6 m、5.6 m、6.6 m，为使各方案模拟结果具有可比性，各模拟方案的边界条件、岩层参数等其它条件均保持一致。

4.2 数值模拟结果分析

不同开采厚度数值模拟结果如表2所示，从模拟结果可以看出，在巨厚松散层地质采矿条件下，随着开采厚度的增加，地表下沉幅度和下沉影响范围呈明显增大的趋势，开采厚度由2.6 m逐步增大到6.6 m时，下沉系数由0.64变成0.95，增加了48%。同时，地表水平位移也随采厚增加而增大，但采厚在4 m以下时，水平移动变形量的增幅较缓，从采厚4.6 m开始时，水平位移量涨幅较大，当采厚为6.6 m时，水平位移量达到最大(2.006 m)，如图6所示。随着开采厚度的增大，上覆岩层破断后回转及下沉空间越大，更容易发生变形和破断，并且上覆巨厚松散层的强度较低且几乎无承载力，只能作为载荷作用在基岩上，上覆岩层垮落填充采空区，采动影响传播到地表，因松散层本身具有流变性的松散介质对下部岩层的破断垮落更加敏感，导致地表下沉及水平移动值逐渐增大，地表沉陷的范围也逐步向外扩张。