煤矿“三软”煤层开采地表移动规律及机理研究

2022-08-02王明远刘晓攀王晓晨

能源与环保 2022年7期

王礼，王明远，刘晓攀，王晓晨

(1.河南神火煤电股份有限公司梁北煤矿，河南禹州 461670； 2.江苏省地质矿产局第二地质大队，江苏常州 213022)

梁北煤矿位于河南省禹州市，是我国典型的“三软”煤层区域。“三软”煤层是指煤矿开采中遇到的软顶板岩层、软煤层和软底板岩层，属于构造条件复杂、赋存条件差的难采煤层，采动地表移动变形有其特殊特点，需要有针对性地开展采动覆岩破坏与地表移动变形规律研究。在该研究方面，郭文兵等[1-4]给出了郑州矿区“三软”煤层开采条件下地表沉陷规律；邹雨霖等[5]根据三软煤层地质采矿条件，对地表移动变形进行了预测；于占泳[6]分析总结了“三软”煤层开采地表变形规律及主要岩移参数；崔峰等[7]通过建立地表移动观测站，对“三软”特厚煤层综放开采地面移动规律进行研究；栾元重等[8]根据洼东煤矿“三软”地质采矿条件，设计了村庄下条带开采合理尺寸；魏跃东[9]分析了在“三软”倾斜煤层下地表变形规律。本文依据梁北煤矿地表移动观测站资料，分析“三软”煤层开采导致的地表移动变形规律，并分析移动变形机理，为梁北煤矿建筑物下压煤开采提供参考。

1 研究区工作面“三软”煤层特征

梁北煤矿开采煤层为二1煤层，采用综采大采高走向长壁机械化采煤方法，全部垮落法控制顶板。研究区11141工作面位于11采区，走向长1 263 m，倾斜长136 m，地面标高+112～+115 m，工作面标高-430.0～-504.0 m，平均采深580 m、采厚4.0 m，煤层倾角10°～12°。煤层属极软煤层，顶底板岩性见表1。由表1可知，11141工作面为软顶板岩层、软煤层和软底板岩层，属于典型的“三软”煤层，煤层直接顶板岩层裂缝发育、破碎，不稳定，强度低，一旦失去支撑很快就冒顶；煤层煤质较软，节理发育、不稳定且极易片帮。

表1 11141工作面顶底板岩性Tab.1 11141 working face of roof and floor rock properties

2 地表移动观测站建立及观测

为了探讨“三软”煤层开采条件下地表移动变形规律，在11141开采工作面上方设置了地表移动观测站，走向观测线为A0—A20，共21个观测点，倾向观测线为B1—B25，共25个观测点(图1)。

图1 11141工作面观测站布置示意Fig.1 Observation station layout of 11141 working face

观测时采用精密数字水准测量仪器和全站仪，从观测点埋设后的首次全面观测至最后一次全面观测，共进行了9次水准测量和4次全面观测。

3 地表移动变形特征分析

据现场实测数据，绘制地表移动变形曲线，部分移动变形曲线如图2—图7所示。

图2 工作面走向下沉曲线Fig.2 Sinking curves of surface tendency

(1)在走向方向上，随着工作面的不断推进，地表下沉值逐渐增大，最大下沉值点随之前移，地表下沉盆地逐渐变大，达到移动变形的剧烈期。当地表移动变形的剧烈期过后，下沉变形量增幅不明显，采空区上方地表下沉盆地呈山谷状；在倾向方向上，当倾向下沉盆地形成后，最大下沉值153 mm位于B15处。在工作面推进过程中，下沉盆地没有随工作面开采前移，最大下沉值在B15点处相对固定。

图3 工作面倾向下沉曲线Fig.3 Sinking curves of surface tendency

图4 工作面走向倾斜曲线Fig.4 Sloping curve of surface bearing

图5 工作面倾向倾斜曲线Fig.5 Sloping curve of surface tendency

(2)随着工作面推进，走向方向上，地表倾斜值逐渐达到最大，最大倾斜值0.996 mm/m出现在A10处；倾向方向上，最大倾斜值1.207 mm/m出现在B20处。地表移动盆地边界至拐点间倾斜渐增，拐点至最大下沉点间倾斜逐渐减小，在拐点处倾斜最大，有两个相反的倾斜值。随后，各个观测时期的最大倾斜值随着工作面持续推进而向前移动。

图6 工作面走向曲率曲线Fig.6 Curvature graph of surface bearing

图7 工作面倾向曲率曲线Fig.7 Curvature graph of surface tendency

(3)曲率曲线基本呈正负对称分布，随着工作面不断推进随之向前移动。在开采工作面上边界煤柱一侧为正曲率，盆地中部采空区上方为负曲率，边界点和拐点处曲率为0，各个观测时期内正负曲率值交替出现。在走向方向上，最大正曲率0.017 3×10-3/m位于A8处；在倾向方向上，最大负曲率0.048 6×10-3/m位于B7和B8中间处。

4 岩层与地表变形机理分析

4.1 关键层判别原理

在矿山开采沉陷中，阐明采动地表与覆岩损伤机理，应分析研究关键层的破断运动规律，对关键层的位置进行辨别。假设上覆岩层的荷载每层均为均匀分布，并设煤层的上覆岩层中有m层岩层，岩层上部为地表松散层，其荷载为q，覆岩每层厚度为hi(i=1，2，3，….，m)。

关键层判别时应满足刚度和强度条件，若直接顶为第一层关键层，其控制的岩层达到第n层，则第n+1岩层即为第二层关键层，须符合式(1)、式(2)条件[10-11]：

q1|n>q1|n+1

(1)

(2)

式中 ,q1|n为第1层为关键层控制到n层岩层时所受荷载；q1|n+1为控制到第n+1层时第1层所受荷载；l1与ln+1分别为第1层与n+1层破断距。

关键层判别方法：计算关键层所受荷载,直接顶只控制自身时所承受的荷载：

q1|n=r1h1

(3)

直接顶控制到第n层岩层时所承受的荷载为：

(4)

式中，Ei为第i层覆岩的弹性模量；hi为第i层覆岩的厚度；ri为第i层覆岩的容重。

则第n+1层岩层为第2层关键层，其刚度判别公式为：

(5)

4.2 关键层破断距确定

按固支梁模型进行计算[12-14]，其计算公式为：

(6)

式中,h为岩层的厚度；RT为岩层的抗拉强度；q为层岩层承受的荷载。

当准关键层符合式(5)后，再按式(6)计算周期破断距。若准关键层的周期破断距大于其紧邻下层待定关键层的破断距，则其为关键层；反之，不是关键层。

4.3 11141工作面关键层判别

根据地质资料和钻孔资料，确定11141工作面的岩性参数，见表2[15]。确定11141工作面上方覆岩关键层步骤如下。

(1)荷载计算。按式(5)计算可得：q1|1

表2 11141工作面煤系地层岩性参数Tab.1 Coal measures strata and lithologicparameters of 11141 working face

(2)破断距计算。将7层准关键层代入公式(6)计算，得到破断距结果，见表3。

表3 11141工作面关键层识别Tab.3 Identify key stratum calculation of 11141 working face

需要说明的是，第1次计算破断距时，l23

5 地表下沉特征分析

5.1 地表弯曲型下沉机理

在工作面推进过程中，最下部的基岩关键层由于缺少下部支撑而首先发生弯曲变形，当基岩最上部的控制层处于弹塑性状态而不发生断裂时，与下部垮落和弯曲的岩体产生离层[16-20]。此时，地表为弯曲型下沉，下沉值是弹塑性弯曲量。在这种情况下，地表下沉的特点是下沉量小，下沉盆地较缓，如图8所示。L为工作面采空区长度；lb为基岩最顶部关键层悬空长度；H′为基岩最顶部关键层到煤层的垂直深度；d为基岩最顶部关键层厚度；ψ为上覆基岩破断角；h′为地表松散层厚度。

图8 弯曲型下沉关键层破坏示意Fig.8 Key layer diagram of curved sinking

5.2 11141工作面地表下沉模式分析

11141工作面采动程度走向充分，倾向为非充分，所以下沉模式分析主要考虑倾向采动对关键层的影响。梁北矿区基岩破断角约为64°，经计算，采动影响高度h1为139.4 m。根据前面计算分析可知，11141工作面共有3层关键层距采空区高度均超过采动高度139.4 m，所以关键层处于弹塑性状态而不发生断裂，与下部岩体产生离层，地表下沉值仅为弹塑性弯曲量，由此解释了11141工作面地表最大下沉量仅为153 mm的原因，如图9所示。