云顶煤业复杂煤层地表移动变形规律研究

王改伟 周俊超

（义煤集团新安县云顶煤业有限公司，河南 洛阳 471800）

煤炭作为我国的基础能源类型，为我国经济平稳运行保驾护航[1]。但煤炭开采会造成地表移动变形，对矿区生态环境造成影响。为此，投入了大量人力和物力对矿山岩层移动规律及理论展开了研究[2]，建立了一批观测站[3-4]。刘天泉院士等[5-7]提出了关于岩体变形的“三带理论”；梵客松等[8]发现采深、采高2 个因素对厚煤层开采地表变形的影响，破坏程度在相同的地质条件下可用基采比来衡量；范天安等[9]研究了复杂地形煤矿地表变形规律；郭文兵等[10-12]对多种开采条件下采动覆岩结构稳定性进行了研究，建立了“载荷作用下采动覆岩结构力学模型”，并证明了理论分析的合理性。建立地表移动观测站，是最有效的方法[13]。通过对地表移动变形测量，分析采动导致的地表移动变形规律，获得相关参数，为煤矿的安全高效生产奠定基础[14-15]。该文基于云顶煤矿12040 工作面条件，在地表布设地表移动观测站，研究开采过程中地表移动变形规律。

1 概况

12040 工作面位于12 采区西翼，东邻12020 工作面（已圈成），西邻矿井边界三角煤薄化区域，北邻矿井边界煤柱及三角煤区域，南邻实揭正断层。12040 轨道顺槽317 m（平距），12040 胶带顺槽315 m（平距），切眼137 m（平距），平均煤厚3.38 m。工作面地面标高为+470～ +500 m，二1 煤层埋深为379～501 m，平均440 m。覆岩岩性为软弱岩层，采用全部垮落法管理顶板。地表为丘岭地貌，有少量农田和居民房屋。

2 观测及结果分析

2.1 观测站设计

参照12040 工作面地质采矿条件以及《煤矿测量规程》，设计走向、倾向观测线各一条，两条观测线互相垂直。

1）倾向观测线位置的确定

该矿地表在倾向方向为非充分采动，故将倾向观测线设置于工作面采空区的中心位置。

2）走向观测线位置的确定

走向观测线应位于走向主断面上，依据倾向方向非充分采动采空区向下山方向偏移的计算公式（1）：

式中：H0为平均采深，m；θ为最大下沉角，（°）。

12040 工作面平均采深为440 m，最大下沉角取（k取0.5，α取平均值15°）为82.5°。 将上述参数代入公式（1），得出走向观测线位于采空区中心向下山方向偏移距离d约为57.9 m。

3）倾向观测线长度的确定

倾向观测线长度L倾按下式计算：

L倾=2h·cotφ+2（H0-h）cot（δ-Δδ）+l3（2）

式中：δ为走向移动角，取70°；l3为工作面倾向长度，取137 m；h为松散层厚度，取8 m；Δδ为走向移动角的修正值，取20°；H0为平均开采深度，取440 m；φ为松散层移动角，取45°。经计算，整条倾向观测线长度为878 m。为便于布点，取值900 m。工作面设计一条倾向观测线，布置31了个测点。

4）走向观测线长度的确定

走向观测线长度L走按下式计算：

式中：l1为工作面走向长度，取316 m；φ为松散层移动角，取45°；α为煤层倾角，平均为15°；h为松散层厚度，取8 m；γ为上山移动角，取70°；β为下山移动角，取61°；Δγ为上山移动角修正值，取20°；Δβ为下山移动角修正值，取17°；H1为采区下山边界开采深度，约为482.3 m；H2为上山边界开采深度，约为397.7 m。计算得出走向观测线长度为1140 m。设置一条走向观测线，布置39 个测点。

如编号A1、A2、A3……为倾向观测点，编号B1、B2、B3……为走向观测点。倾向观测线上多为耕地，将布设观测点在设计点附近5 m 内进行移动，以保证不影响农耕；走向观测线上有茂密的灌木丛，为便于观测点布设和后期观测，实际布设点根据现场情况在不影响观测效果的情况下作了相应调整。

图1 工作面观测站实际布设点位图

2.2 地表移动盆地沉陷规律分析

12040 工作面在2022 年6 月7 日布设观测站，使用RTK 进行了第一次全面观测工作。其中，在10 月15 日前，平均一个星期测量一次，工作面开采过程中，地表下沉值在邻近两次测量中均为超过10 mm，以10 月15 日全面测量数据作为观测点的原始观察数据。从2022 年10 月15 日开始观测，到工作面上方地表部分观测点发生下沉，至2023年4 月15 日共进行了5 次测量工作。将工作面上方下沉值达到要求的观测点观测数据整理，表1 为倾向方向不同时期地表下沉值，表2 为走向方向不同时期地表下沉值。

如图2 为工作面上方不同时期下沉曲线。受条件限制，早期实际观测间隔时间并未按预先确定的时间均匀观测，实际观测到的曲线虽满足下沉值增加，但最大下沉点的移动未能清楚表示出来。正常情况下到了活跃期后，下沉曲线斜率比较大，下沉剧烈且集中，表现在地表损害程度严重。

图2 工作面上方不同时期下沉曲线

一般情况下，从正常推进方向下沉曲线来看，当非充分采动时，地表下沉量会随着工作面推进距离增加而增大，下沉量最大的点也会向前移动。到活跃期时，下沉量的变化较大，下沉比较剧烈且比较聚集。由于12040 工作面影响范围较小，同时埋深较大，最大下沉点实测值为0.15 m，未对地表造成明显损害，如图2（a）。

走向方向上，在下沉盆地边缘部分，地表下沉速度较慢，部分出现了明显的“上浮下沉”现象，有部分观测点下沉值出现忽大忽小现象。这是因为开采后采空区上方岩层垮落，在最先发生下沉的盆地边界会受到垂直向上的变形，在距离采空区较近一侧地表发生下沉，另一侧出现“上浮”现象；随着继续开采，地表先“上浮”部分开始下沉，距离采空区较远区域又出现“上浮”，如图2（b）。

根据实测数据绘制工作面上方实际三维下沉与工作面下沉等高线图，得实测地表下沉图，如图3所示。X为观测点与最大下沉点北坐标差值，Y为观测点与最大下沉点东坐标差值，h为地表下沉值。

图3 实测地表下沉图

分析12040 工作面上覆岩层，岩性综合评价系数P=0.72，进而根据P得出上覆岩层岩性影响系数D为2.0，确定12040 工作面上覆岩层移动参数如下：工作面为非充分采动，实测值对应求得值不满足移动盆地的危险移动边界变形值i=3 mm/m、ε=2 mm/m、k=0.2 mm/m2。

水平移动角：δ=63°；

上山移动角：γ=61.5°～64.3°；

下山移动角：

β=δ-（0.3～0.5）α=63°-0.4×15°=57°；

水平边界角：δ0=58.2°；

上山边界角：γ0=53.9°；

下山边界角：

β0=δ0-（0.3～0.5）α=58.2°-0.4×15°= 52.2°；

最大下沉角：θ=90°-0.5α=90°-0.5×15°= 82.5°。

3 数值模拟

3.1 模型建立

模型的x、y方向固定约束其位移为0，约束其z方向位移为0，上部不做约束。仅考虑模型在自重力条件下产生的应力，其余条件不做考虑。建立长、宽、高为1000 m、1000 m、440 m 的摩尔-库伦模型，开挖厚度4.5 m、宽度140 m 的二1 煤。即y=430～570；走向方向推进300 m，即x=350～650。

3.2 数值模拟结果分析

1）覆岩垂直应力分布规律

图4 为弱胶结岩层下开采时覆岩垂直方向的应力与工作面推进距离的变化规律。当工作面未开采时，覆岩垂直方向的应力呈水平条带式分布。如图4（b）所示，工作面推进至100 m 时，切眼后方和工作面前方应力均出现增高现象，上覆岩层部分岩层之间有离层现象，采空区上方应力降低，形成应力降低区；工作面继续推进，在工作面前方和切眼处应力均有升高现象，而采空区出现应力逐渐升高是因为采空区逐渐被岩石压实导致。

图4 随工作面推进覆岩垂直应力分布规律

如图4（c）～（d）所示，水平方向上，随着开采，采空区范围逐渐增大，在工作面前方和切眼处应力增大，在工作面靠近煤壁一侧，随着工作面向前推进，最大应力值也向前传递，应力下降出现在煤壁与切眼之间；当工作面推进后，采空区顶板垮落，其上方应力逐渐接近原岩应力状态。而在另一个方向上，岩层与煤层相距越近，应力在其增高区的应力值与其降低区的应力值相差越大。

2）覆岩垂直位移分布规律

弱胶结岩层下开采时覆岩垂直位移随着工作面推进的分布规律计算结果，如图5 所示。若工作面达到充分采动时，岩层发生移动的范围随着煤炭被采出而增大，但各岩层的最大垂直位移不再增大，在12040工作面属于非充分采动，此种情况并未出现。

图5 随工作面推进覆岩垂直位移分布规律

3）地表沉陷规律

工作面推进过程中，随推进距离的增加，地表沉陷范围逐渐呈现出一种近似对称的分布形式。在倾斜煤层开采条件下，地表移动盆地为偏向下山方向的非对称椭圆，形状为碗状或盘状，如图6 所示。

图6 随工作面推进地表下沉规律

图7 工作面推进过程中地表下沉变化曲线

4 结论

1）建立地表观测站，针对观测数据进行分析研究，总结了云顶煤矿弱胶结岩层地表移动规律及其参数，绘制出了地表动态下沉曲线图以及沉陷模拟结果图，并对地表动态下沉规律进行了分析。

2）采用数值模拟方法和相似模拟方法对上覆岩层和地表移动规律进行了研究，并与观测站实测资料进行了对比分析。结果表明：地表移动规律的数值模拟结果与实测结果基本吻合。