老君堂煤礦三下煤層地表沉陷規(guī)律研究

申明文

(鄭煤集團(tuán)嵩陽(yáng)煤業(yè)有限公司)

老君堂煤礦三下煤層地表沉陷規(guī)律研究

申明文

(鄭煤集團(tuán)嵩陽(yáng)煤業(yè)有限公司)

豫西“三下”煤層賦存條件不穩(wěn)定，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，通過(guò)對(duì)老君堂煤礦不穩(wěn)定煤層地表沉陷特征分析和沉陷規(guī)律總結(jié)，運(yùn)用FLAC3D軟件對(duì)不同開(kāi)采條件下地表沉陷進(jìn)行模擬，得到了不同開(kāi)采厚度時(shí)的地表移動(dòng)和變形規(guī)律，研究結(jié)果為開(kāi)采及地表建(構(gòu))筑物保護(hù)提供了技術(shù)依據(jù)。

不穩(wěn)定煤層 數(shù)值模擬 走向 傾向 沉陷規(guī)律

我國(guó)礦井“三下”(建筑物下、水體下、鐵路下)壓煤量100多億t，其中建筑物下壓煤80多億t，居“三下”壓煤之首[1]。在一些礦區(qū)，隨著開(kāi)采進(jìn)入后期，可采煤炭資源逐步枯竭，建筑物下采煤?jiǎn)栴}更為突出，如果得不到有效解決，礦井服務(wù)年限將大大縮短。針對(duì)穩(wěn)定煤層的地表沉陷規(guī)律及變形預(yù)計(jì)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，并取得了一些成果[2-3]。但在不穩(wěn)定煤層條件下開(kāi)采引起的地表移動(dòng)和變形規(guī)律不同于一般條件下特征，給開(kāi)采沉陷研究和地表建(構(gòu))筑物的保護(hù)等諸多方面帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)[4-5]。

1 工程地質(zhì)條件

老君堂煤礦主采二1煤，該煤層厚度變化大，具有突然增厚變薄現(xiàn)象，且局部存在無(wú)煤帶。21081工作面分為A、B、C 3個(gè)工作面開(kāi)采。3個(gè)工作面走向長(zhǎng)130～170 m，傾斜長(zhǎng)75～80 m。煤層最厚為8 m，最薄處僅為0.1 m，平均煤層厚4.1 m，煤層傾角變化大，20°～45°，平均傾角為30°。工作面直接頂為斷層破碎帶，上部以粉砂巖和砂巖為主，下部以泥巖為主，厚7.23 m；老頂為泥巖，厚4.5 m；直接底為細(xì)粒砂巖，厚3.7 m；老底為石炭系太原組地層，以石灰?guī)r、泥巖和砂巖為主。

2 地表移動(dòng)變形規(guī)律分析

首先研究主斷面上的地表移動(dòng)和變形。主斷面是過(guò)最大下沉點(diǎn)所做的沿煤層走向或傾向的垂直斷面，在主斷面上，地表移動(dòng)量、變形下沉量最大。在移動(dòng)盆地主斷面上設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)，通過(guò)觀測(cè)工作面開(kāi)采過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)的高程和平面坐標(biāo)，通過(guò)計(jì)算各點(diǎn)的移動(dòng)和變形，掌握地表移動(dòng)和變形規(guī)律。

21081工作面于2011年12月2日建立地表移動(dòng)觀測(cè)站，進(jìn)行了首次全面觀測(cè)，此次作為起算數(shù)據(jù)，2012年3月17日開(kāi)始進(jìn)行日常水準(zhǔn)觀測(cè)，到2012年10月18日，走向方向和傾向方向各進(jìn)行了3次水準(zhǔn)測(cè)量工作。

2.1 地表下沉特征分析

在工作面走向與傾斜方向上各設(shè)置一條觀測(cè)線(xiàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)各測(cè)點(diǎn)下沉值所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并繪制走向及傾向的下沉曲線(xiàn)，見(jiàn)圖1。

圖1 地表下沉曲線(xiàn)

從圖1可以看出，當(dāng)非充分采動(dòng)時(shí)，隨著工作面的推進(jìn)，走向方向和傾斜方向地表下沉值逐漸增加，走向方向的最大下沉點(diǎn)位于工作面以?xún)?nèi)，逐漸前移并穩(wěn)定，傾斜方向的最大下沉點(diǎn)不像一般條件下偏向下山方向，而是位于上山邊界。最大下沉點(diǎn)附近曲線(xiàn)斜率比較大，表現(xiàn)為下沉劇烈且集中。

2.2 地表傾斜特征分析

根據(jù)工作面走向及傾向方向上各測(cè)點(diǎn)所求的傾斜值繪制傾斜曲線(xiàn)，見(jiàn)圖2。

圖2 地表傾斜曲線(xiàn)

從圖2可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，走向方向和傾斜方向傾斜值均逐漸增加，且曲線(xiàn)符合一般條件下的分布規(guī)律，即從盆地邊界到拐點(diǎn)間傾斜逐漸增大，拐點(diǎn)到最大下沉點(diǎn)間傾斜逐漸減小，在最大下沉點(diǎn)附近處傾斜為零，在拐點(diǎn)處傾斜最大，有2個(gè)相反的最大傾斜值。

3 數(shù)值模擬

由于老君堂煤礦以后工作面一次性開(kāi)采完，工作面中間不存在薄煤帶，因此，為了簡(jiǎn)化模型，同時(shí)使數(shù)值模擬結(jié)果為以后工作面建筑物下采煤提供參考，本次模擬以21081工作面地質(zhì)條件為基礎(chǔ)建立模型，工作面采深為345 m，傾斜長(zhǎng)75 m，走向長(zhǎng)546 m，傾角取30°，Y軸為煤層走向，X軸為煤層傾向，Z軸為鉛垂方向。模型尺寸為1 600 m×800 m×457 m(長(zhǎng)×寬×高)。煤層厚0.1～8 m，平均開(kāi)采厚4 m。為了研究不同開(kāi)采厚度21081工作面地表移動(dòng)規(guī)律，建立4個(gè)模型，煤層厚度分別為2，4，6，8 m，工作面走向方向推進(jìn)800 m，邊界煤柱留設(shè)400 m，其余條件相同。在模型地表上設(shè)置一條測(cè)線(xiàn)，統(tǒng)計(jì)測(cè)線(xiàn)上不同采厚時(shí)下沉數(shù)據(jù)，并用Tecplot處理，可以繪制出不同采厚走向主斷面下沉曲線(xiàn)，見(jiàn)圖3。通過(guò)數(shù)值模擬獲取不同采厚地表最大下沉值和下沉系數(shù)，見(jiàn)表1。

圖3 不同采厚地表下沉曲線(xiàn)

表1 不同采厚數(shù)值模擬結(jié)果

由表2可以分析得出開(kāi)采厚度m與地表最大下沉值W、下沉系數(shù)q的回歸曲線(xiàn)，見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 地表最大下沉值與開(kāi)采厚度的關(guān)系

圖5 下沉系數(shù)與開(kāi)采厚度的關(guān)系

從圖3、圖4可看出，其他條件一定時(shí)，隨著開(kāi)采厚度的增加，地表最大下沉值近似線(xiàn)性增加。開(kāi)采厚度是影響地表下沉的主要因素，隨著開(kāi)采厚度的增加，垮落帶和斷裂帶的發(fā)育高度越大，甚至可能發(fā)育到地表，在地表造成劇烈的破壞，產(chǎn)生較大的下沉。

從圖5可以看出，隨著煤層厚度的增加，下沉系數(shù)按冪指數(shù)形式增加，但增加幅度逐漸減小。即對(duì)于老君堂礦區(qū)地質(zhì)條件，其下沉系數(shù)是近似一定的，不隨著開(kāi)采厚度的變化而有較大變化。

因此，當(dāng)其他條件一定時(shí)，開(kāi)采厚度對(duì)地表移動(dòng)和變形的影響程度很大，當(dāng)開(kāi)采厚度較大時(shí)，地表下沉值就較大。在建筑物下采煤時(shí)，如果煤層厚度過(guò)大，可以采用分層開(kāi)采，控制每一分層的采厚，則地表下沉比一次采全厚時(shí)小的多，減小較大下沉對(duì)建筑物的不利影響，使建筑物受到的損害在承受的范圍內(nèi)或者受到的損害程度較小。

4 結(jié) 論

(1)不穩(wěn)定煤層開(kāi)采條件下地表移動(dòng)和變形規(guī)律總體符合一般開(kāi)采條件下地表移動(dòng)和變形的規(guī)律，但也有其獨(dú)特性,即走向方向下沉曲線(xiàn)變化比一般穩(wěn)定煤層開(kāi)采的下沉曲線(xiàn)陡，煤厚較小時(shí)，下沉較小，煤厚大的地方下沉突然變大；傾斜方向下沉曲線(xiàn)最大下沉點(diǎn)不像一般開(kāi)采條件下偏向下山方向，而是在上山邊界處。

(2)開(kāi)采厚度是影響地表移動(dòng)破壞的主要因素。地表最大下沉值隨著開(kāi)采厚度的增加而增加，下沉系數(shù)隨著采厚的增加按冪指數(shù)形式增加，但增加幅度逐漸減小。

[1] 郭文兵,譚志祥,柴華彬，等.煤礦開(kāi)采損害與保護(hù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2013.

[2] AMBROZIC T, TURK G. Prediction of subsidence duetounderground mining by artificial neural networks [J] .Computers & Geosciences,2003(29):627-637.

[3] 李春意,崔希民,郭增長(zhǎng),等.礦山開(kāi)采沉陷對(duì)土地的影響[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2009,36(4):65-68.

[4] 張宏貞,鄧喀中,譚志祥.老采空區(qū)殘余移動(dòng)變形分區(qū)研究[J].礦山壓力與頂板管理,2005,22(2):32-34.

[5] 隋旺華,陳 奇.簡(jiǎn)論煤層開(kāi)采沉陷土體變形的研究意義、現(xiàn)狀、機(jī)理及預(yù)測(cè)方法[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),1995,6(1):1-7.

2014-12-11)

申明文(1986—)，男，助理工程師，452470 河南省登封市中岳大街16號(hào)。