大柳塔煤矿地表沉陷移动变形规律研究

孙祺钰，吕英华，陈明浩，于永宁，陶亚飞，高 森

（1.国家能源集团神东煤炭集团公司，陕西神木 719315；2.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京 100083）

长期以来煤炭是我国主要的基础能源，随着煤炭开采战略西迁，西部矿区已作为了我国煤炭主要开采区，而西部矿区是浅埋大采高开采，造成地表破环严重，直接导致西部矿区地表生态破坏，造成了国民经济的损失，制约了煤炭持续化绿色开采，因此研究该区域覆岩移动规律及地表生态保护方法具有重要意义。

对于覆岩移动及地表沉陷研究，诸多学者开展了大量的工作研究。戴华阳等[1]总结了岩层与地表变形时空关系，提出了开采沉陷的动态地表移动变形描述方法；申涛等[2]以陕北矿区为研究对象，通过实测数据分析黄土层、中等偏硬基岩在回采情况下地表移动规律：李春义等[3]对厚黄土层地表移动构建了地表下沉和水平移动拟合函数模型;黄飞等[4]通过对龙滩矿工作面地表观测站数据整理，分析了工作面开采地表沉陷动态变化特征；唐君等[5]通过对矿区地表测点数据整理，分析了薄冲积层综放开采地表移动变形规律；白光宇等[6]通过相似模拟实验研究了山区开采下地表沉陷移动变形规律；杨帆等[7]通过数值模拟分析了采动地表裂缝形成机理；孙庆先等[8]在浅埋煤层综采（综放）的条件下，对煤层采出后的地表移动变形进行了研究，分析并得出了在煤层埋深较浅且采用综采（综放）的采煤工艺的条件下，地表发生移动变形的机理；王金庄等[9]通过对厚松散层煤层条件下，由于煤层开采所引起的地表移动下沉现象进行现场实测和理论分析，得出了断裂临界的开采宽度和充分临界开采宽度的计算公式；郭文兵、朱庆伟、昝军才等[10-12]采用理论分析和数值模拟方法对煤矿大采高长壁采煤法所引起的煤层上覆岩层发生破坏的高度及充分采动时上覆岩层发生破坏的判据进行了深入的研究。

上述研究在煤炭开采下地表移动变形取得了较大的进展，通过结合该矿实际，在52304 工作面上布置地表观测站，采用UDEC 离散元数值模拟分析，地表移动实测数据及移动参数分析；研究了西部矿区大柳塔矿地表移动变形规律，为西部矿区开采提供数据参考依据。

1 工程背景

1.1 工作面概况

在大柳塔矿井5-2 煤52304 工作面的上方建立移动观测站，该地区地处丘陵地区，地形复杂，海拔高度为1 154.8～1 269.9 m，地表观测站附近地表平均标高为1 214 m。工作面煤层厚度范围6.6～7.3 m，平均煤层厚度6.94 m，地板标高988.7～1 018.1 m,埋深为136.7～281.2 m，平均225 m，煤岩类型以半暗型和半亮型煤为主，并夹杂少量的亮煤及暗煤。煤层底部为1～2 层的泥岩夹矸，夹矸厚度在0.2 m左右。顶底板均为泥质胶结粉砂岩，顶板为波状层理，底板为水平层理发育，局部有泥岩、细砂岩薄层发育。本区域煤层倾角小于2°，观测站下方煤层近似于水平，根据64#、269#、293#钻孔资料可知，设站地区沟谷主要由风积砂覆盖，第四系松散层厚度20 m 左右，坡顶基本无第四系沉积。工作面为刀把式，工作面最窄147.5 m，最长301 m，工作面走向长度为4 547.6 m。采用走向长壁采煤法，顶板管理采用全部垮落法。

1.2 地表移动变形观测布设

大柳塔矿井5-2 煤首采面岩移观测布设为：倾斜线点位（Q1-Q34）向切眼方向平移140 m，并在刀把式工作面最窄工作面上方增加1 条观测线（Z72-Z82），走向观测线按原设计点位埋设（Z1-Z71）。3 条观测线总长度2 451 m，共埋设116 个工作测点，6个控制点。主要包括2 个半条走向观测线，观测线Z1-Z71，测线长度1 400 m，测点平均间距20 m，观测线Z72-Z82，测线长度200 m，测点平均间距20 m；倾向观测线Q1-Q34，测线长度849 m，测点平均间距25 m。52304 工作面测点布置如图1。

图1 52304 工作面测点布置Fig.1 Layout of measuring points in 52304 working face

2 工作面实测地表移动变形规律

2.1 实测数据分析

走向地表下沉曲线（长线）如图2，走向地表下沉曲线（短线）如图3，倾向动态下沉曲线图如图4。

图2 走向地表下沉曲线（长线）Fig.2 Strike surface subsidence curves（long line）

图3 走向地表下沉曲线（短线）Fig.3 Strike surface subsidence curves (short line)

图4 倾向动态下沉曲线图Fig.4 Tendency dynamic subsidence curves

由图2 可以看出，随着工作面的快速推进，走向下沉曲线依次向左出现。测点位置在开切眼工作面推进方向140 m 处，地表的对应测点下沉并随时间范围2011-11-01—2012-05-25，地表测点Z46 到测点Z26 间下沉量先增大后减小，2011-11-26，最大下沉值测点Z32 为2 800 mm，在时间2012-05-25和2013 年2 次测量后工作面上方地表在测点Z46到测点Z1 范围内下沉量基本相近，最大下沉值约为3 600 mm，走向观测线最后1 次测量（2013-03-19）与前次测量（2012-05-25）成果比较，下沉速度最大点的是Z11 点，根据下沉速度，Z11 点在6 个月下沉为27.6 mm，走向线上其它各点6 个月下沉据均小于Z11 点，认为走向观测线已经稳定。

由图3 可以看出，刀把式工作面随工作面的推进，走向下沉曲线依次向左出现。地表的对应测点下沉并随时间范围2011-11-01—2012-05-25，地表测点Z81 到测点Z72 间下沉量先增大后减小，2012-05-25，最大下沉值测点Z75 为2 250 mm，在时间2011-11-08 和2012-05-25 年4 次测量后工作面上方地表在测点Z76 到测点Z74 范围内下沉量基本相近，刀把式工作面推进过测点范围后，由于在测点地表已经下沉，观测及分析数据仅做参考。

由图4 可以看出，随工作面的推进，倾向下沉曲线平行于工作面对称出现。测点位置在开切眼工作面推进方向140 m 处，地表的对应测点下沉并随时间范围2012-01-17—2013-08-19，地表测点Q34 到测点Q1 间下沉量先增大后减小，2012-08-19，最大下沉值测点Z13 为3 500 mm，在时间2013-03-19测量后工作面上方地表在测点出现2 次下沉，原因是回采下一工作面出现的地表下沉，最大下沉点是Q30，本次最大下沉达3 691 mm，倾斜观测线从2012-05-25 测量数据分析观测线两端下沉速度非常小，接近于稳定，观测线中间（采面正下方）还在下沉。2012-08-19 测量数据表明整个观测线下沉速度不大，最大下沉点是Q9，6 个月累计下沉值为46 mm，所以倾向观测线数据分析采用2012-08-19 观测结果，认为倾向观测线已经稳定。

2.2 最大下沉点速度特征

走向最大下沉点曲线图如图5。倾向最大下沉曲线如图6。

图5 走向最大下沉点曲线图Fig.5 Curves of maximum subsidence point

图6 倾向最大下沉曲线Fig.6 Tendency maximum subsidence curves

由图5 可以看出，地表下沉速度的变形在测点Z36～Z18 间较大，地表测点Z35 最大下沉速度达430 mm/d，由于地表下沉的速度大，所以从开始下沉到达到下沉的最大值所用时间较短，并且下沉量大，测点Z35 累计下沉量最大为3 800 mm，并且由于下沉地区中心位置的下沉量较大，而且采区四周的下沉量在较小的范围内快速降低，下沉地区的边界十分收敛，从而导致了下沉地区的边缘非常陡峭。

由图6 可以得出，地表下沉速度在测点Q18、测点Q30 间较大，在地表测点Q18 最大下沉速度达33 mm/d，从地表开始下沉到最大下沉值时间短，测点Q30 累计下沉值最大为3 550 mm，因为各个测点的下沉速度不同，所以地表裂缝宽度的大小也不同。经过对工作面上方地表的现场实测发现，切眼位置两侧的下沉盆地边缘均出现了相对比较固定的裂缝，裂缝方向与采空区边界方向基本一致，裂缝宽度一般较大，并在裂缝处出现台阶。

3 采动后地表移动变形规律

3.1 数值模型

为了研究覆岩断裂后导致的地表移动变形，利用离散元软件UDEC 分析采动后覆岩变形破坏规律。UDEC 数值模拟模型：模型长500 m，高225 m，模型的左右边界为水平方向，底部边界为垂直方向，且位移固定，上部边界为自由边界。模型基于摩尔-库伦强度准则，煤岩物理力学参数见表1。

表1 煤岩物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock

3.2 模拟方案及结果分析

不同推进距离覆岩裂隙场形态及位移量云图如图7。工作面推进下沉曲线如图8。

图7 不同推进距离覆岩裂隙场形态及位移量云图Fig.7 Shape and displacement nephograms of overlying rock fracture field with different advancing distance

图8 工作面推进下沉曲线Fig.8 Advancing subsidence curves of working face

由图7 可知，在模型中模拟从100 m 处开切眼向右推进，每次推进50 m，共推进200 m。当模型工作面推进50 m 时，由于砂岩顶板厚度较大，在模型中直接顶发生断裂垮落，基本顶尚未发生破断，工作面上方基本顶形成砌体梁结构，基本顶上层和下层之间出现离层，采空区直接顶悬空。当模型工作面推进100 m 时，基本顶发生破断，关键层的破断引起关键层以上的顶板发生位移并传递到地表引起地表发生一定下沉。当模型工作面推进150 m 后，地表下沉达到最大值。

由图8 可知，由于工作面推进速度的提高，使得煤层上覆岩层的各个层次下沉的速度均得到不同程度的加快，从而使得上覆岩层的相对悬空时间减少，所以导致移动变形的集中。另外，综采采高大，造成垮落带、断裂带增高，弯曲下沉带相对减小,也使移动变形相对集中。

4 相邻工作面钻孔窥视分析

DS6 号孔裂隙成像如图9。DS7 号孔裂隙成像如图10。DS6 号孔为采前孔，岩心较完整，裂隙发育少，成像检测仅有3 条裂隙发育。DS7 号钻孔为采后孔，整孔裂隙发育，岩心破碎。

图9 DS6 号孔裂隙成像Fig.9 Fracture imaging of hole DS6

图10 DS7 号孔裂隙成像Fig.10 Fracture imagings of hole DS7

1）岩石成像。由于大柳塔矿区以煤系地层的砂岩、泥岩、砂质泥岩为主，同一岩性地层在水平方向上性质较均一，在成像结果中，完整岩石表现为水平及竖直方向上都很均匀，在分层处可见水平层理面。完整岩石在成像成果中为：①颜色：较均一的灰黄色、灰色、深灰色；②光滑程度：较为均一的光滑或粗糙感；③反光情况：无明显的反光点或线。

2）煤层成像。由于煤层的黑色与岩层颜色差异明显，且具有明显不同于岩石的反光特性，因此在成像成果中容易判别，煤层在成像成果中为：①颜色：较均一的黑色；②光滑程度：由于煤性脆、钻探的断面较粗糙；③反光情况：有明显的较均一的反光点。

3）裂隙成像。由于裂隙发育位置破坏了岩层的均一性，且由于裂隙边沿处处会有少量积水，在成像成果中会有沿裂隙边沿延伸方向的线状反光，在宽度较大的裂隙中央则呈现为黑色。裂隙在成像成果中为：①颜色：裂隙中央为均一的黑色；②反光情况：会有沿裂隙边沿延伸方向的线状反光。

5 结 论

1）由于工作面推进速度的提高，导致煤层上方各个岩层的沉降速度均得到不同程度的提高，从而使得上覆岩层的相对悬空时间减少，所以导致移动变形的集中另外，综采采高大，造成垮落带、断裂带都有不同程度的增高，弯曲下沉带相对减小，也使移动变形相对集中，可以用来研究地表沉陷规律及预测地表变形规律。

2）地表下沉的最大速度430 mm/d，因为地表下沉的速度大，所以从开始下沉到达到下沉的最大值所用时间较短，并且下沉量大，走向观测线上的点Z10 的最大下沉量为3.959 m，并且由于下沉地区中心位置的下沉量较大，而且采区四周的下沉量在较小的范围内快速降低，下沉地区的边界十分收敛，从而导致了下沉地区的边缘非常陡峭。经过在工作面上方的现场实测发现，切眼位置两侧的下沉地区边缘均出现了相对比较固定的裂缝，裂缝方向与采空区边界方向基本一致，裂缝宽度一般较大，并在裂缝处出现台阶。DS6 号孔为采前孔，岩心较完整，裂隙发育少，成像检测仅有3 条裂隙发育。DS7 号钻孔为采后孔，整孔裂隙发育，岩心破碎。

3）快速开采使总的地表移动时间缩短。地表从开始下沉到接近最大下沉量所用不到6 个月的时间，而且稳定时间较长，最后下沉100 mm 接近10个月的时间才能达到稳定。