基于岩层移动理论的急倾斜煤层采后地表移动变形规律研究

2023-09-19郭文彬

金属矿山 2023年8期

郭文彬

(1.呼伦贝尔学院工程技术学院,内蒙古呼伦贝尔 021008;2.内蒙古自治区高校矿产资源安全开采与综合利用工程研究中心,内蒙古呼伦贝尔 021008)

煤层在经历大量地质作用后,部分煤层地质情况较为复杂,出现了一定比例的急倾斜煤层。目前,有大量煤矿都进行了急倾斜煤层开采。在漫长的地质作用下,煤层内部逐渐达到了一定的应力平衡,一旦煤层被开采后,围压应力将重新调整,达到新的平衡。在此过程中岩层将发生一定量的移动与变形,逐渐延伸至地表形成地表沉陷或地表塌陷[1-3]。地表移动变形不可避免地会影响上方建筑物和自然环境,影响矿区安全生产[4]。因此,研究急倾斜煤层开采后地表移动变形规律,可以为矿山开采设计提供可靠依据[5-7]。

目前,许多学者对急倾斜煤层采后地表移动变形规律进行了研究,取得了一定的进展[8-10]。韩光等[11]使用基于颗粒流的PFC3D软件,分析了特殊情况下开采急倾斜煤层对周围岩体的影响,模拟了开采过程,并讨论了开采后地表移动的有关规律。赵博等[12]基于Matlab 编程语言,研究了急倾斜煤层开采对地表移动变形的影响,借用皮尔森公式法与山区地表移动预计模型,开发了具有一定参考价值的开采沉陷预计系统。郭延辉等[13]基于3DEC 离散单元法,对构造应力下矿体倾角对急倾斜矿体开采岩石移动规律的影响进行了研究,分析了开采引起的地表与围岩移动变形规律。宋子岭等[14]为解决某矿一煤层在建筑物下采煤引起地表变形移动的相关问题,采用斜切分层倾斜分带的充填采煤法,借助FLAC3D软件,建立了地表移动规律分析的相关模型。张海洋等[15]集合数值模拟计算、基于概率积分法和Konthe 时间函数的动态预计方法,研究了大倾角煤层开采的地表沉陷及岩层运移特征。苏仲杰等[16]以急倾斜多厚煤层开采为例,建立了相似材料模型分析了急倾斜煤层开采沉陷对应的地表移动变形规律,以及覆岩移动变形规律。韩智勇等[17]结合FLAC 有限元分析软件,设计了正交试验方案并分析了开采深度、矿体倾角、矿体厚度等因素对急倾斜厚矿体地表移动的影响规律。宋旻等[18]运用有限差分法和FLAC 软件进行模拟,研究了不同埋深下急倾斜矿体开采后的岩层运移规律。

本研究在上述成果的基础上,对目前常用的地表沉陷方法——概率积分法进行修正,利用二重积分法,提出适用于急倾斜情况下的计算方法。从煤层倾角和埋藏深度两个角度对急倾斜煤层的沉降规律进行分析,同时利用FLAC 软件对采空区上覆岩层移动规律进行研究。

1 急倾斜煤层地表移动的概率积分方法

急倾斜煤层被采出后,上覆岩层将形成一个楔形的破坏区域,引起岩层滑移,最终传导至地表形成地表盆地。现阶段,概率积分法是地表沉陷计算分析的常用方法,首先将开采区域离散为多个微小单元,地表沉陷区域则是所有开采单元对地表影响的总和,在此基础上采用积分方法直接进行求解。

任意单元开采后引起的地表沉陷如图1 所示。在垂直断面上开采区域为ds×1(宽×高)的无限长区域,最终地表形成的下沉盆地表达式为

图1 任意单元开采后引起的地表沉陷Fig.1 Surface subsidence caused by mining of any unit

式中,We为单元开采引起的地表沉陷量,m;δ为与开采单元中心的水平距离,m;r为影响半径,可进行如下计算:

式中,h为开采深度,m;β为主要影响角,(°)。

对于急倾斜煤层,可以将区域按照煤层赋存区域离散后进行求和计算得到(图2)。在急倾斜情况下,地表形成的倾斜盆地W可表示为

图2 倾斜煤层地表沉陷离散方法Fig.2 Discrete method for surface subsidence of inclined coal seam

式中,x1,x2分别为倾斜煤层的两个边界,假设x1小于x2,因此可以认为x1为倾斜煤层X坐标最小值,m;x2为倾斜煤层X坐标最大值,m;y1为下边界,y2为上边界。y1表达式为

式中,α为煤层倾角,(°);h0为下边界截距,与坐标系的设置有关,m。

确定y1后,可得y2的表达式为

式中,m为煤层厚度,m。

沿着煤层倾斜方向,地表倾角i(x) 可以通过对地表沉降曲线求一阶导数获得,即

地表曲率K(x) 则通过对地表下沉曲线求二阶偏导得到,公式为

沿着煤层走向方向的水平移动量U(x)可以通过积分获得:

式中,b为水平移动系数。

2 煤层倾角和埋深对地表沉陷的影响

2.1 煤层倾角对地表沉陷的影响

急倾斜煤层工作面开采工况如图3 所示,假设煤层中心位置距离地表H=300 m,煤层厚度为D=5 m,倾斜长度为L=200 m,煤层开采后的影响角正切值tanβ=1.35,水平移动系数为0.23。分别取煤层倾角α为50°、60°、70°、80°、90°,对不同倾角引起的地表下沉曲线进行计算,计算结果如图4 所示。

图3 工作面开采示意Fig.3 Schematic of the mining of working

图4 不同煤层倾角对应的地表下沉曲线Fig.4 Surface subsidence curves corresponding to different coal seam dip angles

由图4 可知:

(1)在最大下沉量方面,当倾角为50°时,最大下沉量为2.17 m,倾角为60°、70°、80°、90°对应的最大下沉量分别为1.76、1.24、0.65、0.32 m。进一步分析发现,随着煤层倾角增大,地表最大下沉量逐渐减小。

(2)由曲线的对称性可知,当倾角为50°时,偏心值(地表下沉峰值位置偏离开采中心的距离)为18 m,当倾角为60°、70°、80°、90°对应的偏心值分别为16、12、7、0 m。偏心值越小说明下沉曲线越趋近于对称,当开采倾角为90°时,偏心值为0°,说明此时地表下沉曲线为完全对称曲线。由计算结果可知:随着煤层倾角增大,地表下沉曲线由非对称曲线逐渐转化为对称曲线,当倾角为90°时,下沉曲线完全对称。

2.2 煤层深度对地表沉陷的影响

为进一步探究开采深度对地表沉降规律的影响,仍采用1.2 节的工作面基本工况,此时假定煤层倾角α=50°为固定值,设定煤层采深H为多个不同水平,分别为200、300、400、500、600 m。利用概率积分法计算得到地表的下沉曲线如图5 所示。

图5 不同开采深度对应的下沉曲线Fig.5 Subsidence curves corresponding to different mining depths

由图5 可知:

(1)当开采深度不同时,地表沉降量存在明显的差异。当采深为200 m 时,沉降量最大,达到3.02 m,当采深分别为300、400、500、600 m 时,最大下沉量分别为2.17、1.67、1.35、1.14 m。由此可知:随着开采深度增加,急倾斜煤层开采所产生的地表沉降量逐渐减小。

(2)当开采深度不同时,地表沉降影响范围不同。当采深为200 m 时,地表影响范围为536 m,当采深分别为300、400、500、600 m 时,对应的地表影响范围分别为686、780、858、921 m,反映出随着采深增大,地表影响范围增大。

(3)当开采深度不同时,对应的偏心距不同。即地表下沉曲线所表现出的对称性存在差异。当采深为200 m 时,偏心距最大,达到25 m;当采深分别为300、400、500、600 m 时,对应的偏心距为16、12、10、8 m,反映出随着开采深度增加,下沉曲线由非对称性逐渐转化为对称性曲线。

3 数值模拟分析

3.1 数值模拟方案

在上述分析的基础上,本研究进一步采用FLAC数值模拟软件对急倾斜煤层进行数值模拟。在数值模拟过程中,通常采用3 ～5 倍的模拟范围。数值模拟仍然采用图3 开采工况,构建模型尺寸为600 m×600 m(长×高),采用平面应变问题,在工作面深度方向固定其位移。数值模拟网格共建立90 000 个单元、90 601 个节点。边界条件为:底部固定垂直位移,左右两侧固定水平位移,顶部自地表一直延伸到煤层底板,因此无需施加荷载,仅依靠自重产生荷载。

3.2 煤层倾角对采空区上方围岩移动分析

取不同煤层倾角条件下,采空区上方围压的位移云图进行分析。煤层倾角为50°、60、70°、80°、90°对应的采空区上方围岩位移云图如图6 所示。

图6 不同倾角对应的上覆围岩移动云图Fig.6 Displacement nephograph of overlying surrounding rock corresponding to different inclination angles

由图6 可知:① 与近水平煤层围岩运动规律相比,急倾斜煤层的覆岩运动不仅产生了垂直位移,而且水平位移同样占据了较大比例,随着倾角增大,水平位移量逐渐大于垂直位移量;② 随着倾角增大,急倾斜煤层采空区上方顶板位移量逐渐减小,而对应的底板位移量逐渐增大,顶底板下沉规律从顶板下沉量占优势的非对称形态,逐渐转化为顶底板相同的对称形态;③ 随着倾角增大,底板岩石发生底鼓的变形量增加,由于煤层倾角大于岩石的自然安息角,因此在回采过程中应同时考虑顶底板破碎岩块对工作面安全方面的影响。