厚松散層大采高開采地表移動(dòng)變形規(guī)律研究

余學(xué)義，穆 馳，3，張冬冬，3

（1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安710054；2.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)，陜西 西安 710054）

在我國(guó)能源體系結(jié)構(gòu)中，煤炭依然處于主導(dǎo)地位，“十三五”時(shí)期是我國(guó)全面建設(shè)小康社會(huì)的決勝階段，同時(shí)也是煤炭工業(yè)加快轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要時(shí)期，加快煤炭供給側(cè)改革，是實(shí)現(xiàn)由大到強(qiáng)歷史跨越的重要轉(zhuǎn)變。由于礦產(chǎn)資源開采，工作面上覆巖層的圍巖應(yīng)力進(jìn)行重新分布。在這個(gè)過程中，巖層的不連續(xù)破壞引起地表的移動(dòng)變形，對(duì)地表的鐵路、公路及其他建（構(gòu)）筑物造成破壞，同時(shí)引起地裂縫、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。特別是在我國(guó)華東、華中、西北等礦區(qū)的厚松散層，當(dāng)工作面煤層采出后，地表移動(dòng)變形具有一定特殊規(guī)律，主要表現(xiàn)為地表下沉系數(shù)較大，基巖移動(dòng)角比常規(guī)值偏小，地表水平移動(dòng)范圍大于下沉范圍等特點(diǎn)[1-5]。介紹了上灣礦12401工作面在厚松散層大采高工程地質(zhì)條件下地表移動(dòng)變形規(guī)律研究。

1 礦區(qū)概況及觀測(cè)站概況

1.1 工作面開采條件

上灣礦12401 工作面地表平均標(biāo)高為1 190 m，上覆松散層平均厚度62 m，為厚松散層，開采煤層為宜君組下巖段中部12 煤，煤質(zhì)瀝青光澤，呈條帶結(jié)構(gòu)，工作面煤層平均傾角4°，為近水平煤層；隨著工作面持續(xù)推進(jìn)，局部煤層厚度變化不均；煤層直接頂為含云母碎屑的粉砂巖，呈灰白色，巖層水平節(jié)理較為明顯，厚度 7.5～9.3 m，平均厚度 8.4 m，直接頂上部為泥質(zhì)膠結(jié)的細(xì)粒砂巖，巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；底板為深灰色的砂質(zhì)泥巖，且層理發(fā)育不明顯，厚度3.6～6.2 m，平均厚度 4.9 m。12401 工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度約 1 060 m，12 煤層厚度 4.2～9.6 m，平均厚度6.9 m，煤層堅(jiān)固系數(shù) 0.6，采用綜采放頂煤和一次采全高適應(yīng)煤層厚度變化，煤層綜合柱狀圖如圖1。

圖1 工作面煤層綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of coal seam in working face

1.2 觀測(cè)站布設(shè)

地表移動(dòng)觀測(cè)站布設(shè)形式分為網(wǎng)狀布設(shè)和剖面布設(shè)，工作面移動(dòng)觀測(cè)站概況見表1。結(jié)合上灣礦12401 工作面實(shí)際情況，觀測(cè)站選用剖面布設(shè)，傾向觀測(cè)線B 平行于工作面布設(shè)，距離12401 工作面213.1 m，走向觀測(cè)線A 靠近12401 工作面上山邊界，垂直于傾向觀測(cè)線B 進(jìn)行布設(shè)，距離運(yùn)輸平巷102.7 m，在走向觀測(cè)線南段共布置3 個(gè)控制點(diǎn)，點(diǎn)號(hào)分別為KA1～KA3，沿著走向觀測(cè)線布設(shè)35 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)號(hào)分別為ZA1～ZA35。垂直于走向觀測(cè)線布設(shè)1 條傾向觀測(cè)線，傾向觀測(cè)線B 全長(zhǎng)1 180 m，距離停采線233 m，在傾向觀測(cè)線兩側(cè)共布設(shè)5 個(gè)控制點(diǎn)，點(diǎn)號(hào)分別為KB1～KB5，沿著傾向觀測(cè)線布設(shè)55 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)號(hào)為ZB1～ZB55[6-8]。測(cè)點(diǎn)布設(shè)間距為5 m，觀測(cè)點(diǎn)位置布設(shè)平面圖如圖2。

表1 工作面地表移動(dòng)觀測(cè)站概況Table 1 Overview of surface mobile observation stations

圖2 地表觀測(cè)站平面布設(shè)圖Fig.2 Plane layout of surface observation station

2 觀測(cè)結(jié)果分析

2018—2019 年對(duì)上灣礦12401 工作面進(jìn)行了巖移觀測(cè)，但由于該工作面采動(dòng)影響較大，條件比較復(fù)雜。因此，此次站設(shè)計(jì)參數(shù)仍然參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)及壓煤開采規(guī)程》選取[9-13]。12401 工作面上覆巖層的普氏系數(shù)絕大多數(shù)小于2，單向抗壓強(qiáng)度主要在2～20 MPa 之間，根據(jù)“三下采煤規(guī)程”相關(guān)規(guī)定將其定為軟弱巖層[14]，同時(shí)考慮到12401 工作面采厚較大，工作面推進(jìn)速度較快，根據(jù)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)整理分析，用解析法分別計(jì)算走向和傾向的綜合邊界角、基巖移動(dòng)角。

2.1 走向和傾向的綜合邊界角

12401 工作面的走向和傾向觀測(cè)線條件方程：

式（1）簡(jiǎn)化為 ha+Hb=L。

式中：L 為工作面到采空區(qū)邊界的水平距離，m；h 為松散層厚度，m；H 為基巖厚度，m；λ 為松散層邊界角；δ 為基巖邊界角；a、b 為待求系數(shù)，a=cotλ，b=cotδ。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入條件方程得：

解得 λ=36°，δ=62°。

將基巖和松散層的厚度進(jìn)行疊加，運(yùn)用反三角函數(shù)，計(jì)算在走向的綜合邊界角α，取平均采深為152 m，即得到取 α=57°；傾向的綜合邊界角β，取平均采深為 135 m，即得到β=arccot取 β=58°，取，由于開采煤層屬于近水平煤層，工作面地表起伏波動(dòng)較小，通過綜合分析取走向和傾向的綜合邊界角為 57.5° 。

2.2 基巖移動(dòng)角

將松散層邊界角λ=36°，松散層平均厚度h= 62 m，基巖厚度H=35 m,代入式（2）求基巖移動(dòng)角η：

式中：L 為當(dāng)?shù)乇韮A斜i= 4 mm/m，水平移動(dòng)u=5 mm/m，水平變形=3 mm/m，曲率 K= 0.6×10-3時(shí)，邊界點(diǎn)到工作面的距離，m。

將數(shù)據(jù)代入方程求解得基巖移動(dòng)角η=54°。同時(shí)，走向和傾向的綜合移動(dòng)角采用地表移動(dòng)變形參數(shù)進(jìn)行求取。由于地表綜合移動(dòng)角受基巖邊界角影響，計(jì)算得地表走向和傾向綜合移動(dòng)角為 45°、46°，開采煤層為近水平煤層，因此觀測(cè)線無論在走向和傾向上，綜合移動(dòng)角均采用α0=β0=45.5°。通過分析可知：地裂縫對(duì)地表移動(dòng)變形影響較大，沿著走向觀測(cè)線，由于受地表移動(dòng)變形影響，導(dǎo)致該方向移動(dòng)角值變化較大，而在傾向方向，地表移動(dòng)變形波動(dòng)起伏不明顯，且工作面上覆基巖和松散層厚度較大，移動(dòng)角值在傾向上變化較小。上灣礦12401 工作面地表移動(dòng)角值參數(shù)統(tǒng)計(jì)表見表2。

3 地表移動(dòng)變形特征分析

3.1 地表下沉特征分析

將觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，選取12401 工作面的傾向觀測(cè)線 B 從 2018 年 5 月到 2019 年 3 月的 6 次觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)不同的觀測(cè)時(shí)期，繪制的地表下沉曲線，如圖3。

表2 巖層移動(dòng)角值參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of rock formation angle parameters

圖3 地表下沉觀測(cè)線Fig.3 Ground subsidence line

從12401 工作面的地表下沉曲線可以得出：隨著工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)下沉量越來越大，地表下沉范圍也逐漸增大。由圖3 可知，2018 年5 月的地表下沉量相對(duì)較小，地表移動(dòng)變形不明顯，2018 年7 月，地表有明顯的移動(dòng)變形，變形曲線呈現(xiàn)碗形，最大下沉量為269 mm，從2018 年9 月往后，地表移動(dòng)變形劇烈，下沉速度加快，下沉量增大且地表下沉范圍不斷擴(kuò)大，地表最大下沉值 558 mm。從2018 年11 月以后的3 次觀測(cè)中，地表下沉速率減小，地表移動(dòng)變形放緩，下沉量趨于穩(wěn)定，地表下沉進(jìn)入衰退期，最大下沉量為1 152 mm。

分析認(rèn)為，在工作面繼續(xù)向前推進(jìn)過程中，工作面上覆巖層的整體性和穩(wěn)定性受到破壞，直接頂和基本頂相繼垮落，巖層破壞帶來的擾動(dòng)波及至地表，導(dǎo)致地表產(chǎn)生彎曲下沉，隨著開采面繼續(xù)擴(kuò)大，引起地表下沉量增大，由于上覆松散層的土體厚度較大，幾乎沒有承載能力，因此從2018 年7 月起，地表下沉速度加快，下沉速率達(dá) 58%；雖然從2018 年11月下沉速度降低，但是地表下沉量仍持續(xù)增加。同時(shí)由地表下沉曲線可以看出，當(dāng)工作面未達(dá)到充分采動(dòng)情況下，地表的實(shí)測(cè)下沉量為 981 mm，下沉系數(shù)達(dá)1.06，因此在厚松散層地質(zhì)條件下，地表移動(dòng)變形特征表現(xiàn)為下沉速度快、下沉速率大、采動(dòng)影響劇烈的現(xiàn)象。

3.2 地表下沉速度分析

根據(jù)傾向地表下沉數(shù)據(jù)，繪制的地表下沉速度曲線如圖4。從圖4 可以看出，2018 年5 月到2018年7 月地表下沉緩慢，下沉速度變化較小，在正常采高13 m 條件下，地表下沉速度平均在8 mm/d 左右，最大下沉速度達(dá)16 mm/d；2018 年9 月工作面回采結(jié)束之后，地表下沉速度減緩，2019 年1 月之后地表逐漸開始穩(wěn)定，到2019 年3 月地表基本穩(wěn)定。隨著工作面進(jìn)行開采，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從圖中可以看出2018 年5 月以前，地表處于啟動(dòng)階段，下沉速度不到2 mm/d；前5 個(gè)月處于活躍期，特別是前3 個(gè)月地表下沉在 5 mm/d 以上；2018 年 11 月開始進(jìn)入衰減期，此后便逐漸穩(wěn)定，至2019 年3 月已經(jīng)基本穩(wěn)定。

圖4 地表下沉速度觀測(cè)線Fig.4 Surface subsidence velocity observation line

根據(jù)國(guó)內(nèi)大量學(xué)者對(duì)最大下沉速度的研究，可以得出如下結(jié)論：最大下沉速度與采場(chǎng)上覆巖層巖性、工作面推進(jìn)速度、采厚比、采動(dòng)程度有關(guān)。其中，推進(jìn)速度與覆巖巖性成正比，下沉速度與巖層厚度成反比[15]。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中工作面的推進(jìn)速度來計(jì)算出厚松散層下地表最大下沉速度系數(shù)，以此減小在厚松散層工程地質(zhì)條件下地表移動(dòng)變形。最大下沉速度的計(jì)算一般采用vmax經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：K 為最大下沉系數(shù)；Wmax為地表最大下沉量，mm；v 為工作面推進(jìn)平均速度，m/d；H0為平均開采深度，m。

將12401 工作面推進(jìn)平均速度v=3.24 m/d，代入上式計(jì)算得到厚松散層地表最大下沉系數(shù)為1.56，比非厚松散層下沉系數(shù)偏高，結(jié)果表明厚松散層作為基巖的壓密介質(zhì)覆蓋于地表，對(duì)基巖起荷載作用，當(dāng)煤層開采引起基巖破壞，松散層壓密基巖的離層裂隙和垮落空隙，加劇地表變形程度，加快地表下沉速度。

4 地表移動(dòng)數(shù)值模擬

4.1 FLAC3D數(shù)值模型

針對(duì)神東礦區(qū)上灣礦12401 工作面，結(jié)合已收集到的地質(zhì)資料，運(yùn)用FLAC3D對(duì)地表下沉及水平移動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)上灣礦實(shí)際開采面積及工作面開采高度，此次模擬，x 方向?yàn)? 500 m，其中煤層從左邊90 m 開挖至1 150 m，共開挖1 060 m，與工作面實(shí)際長(zhǎng)度一致，y 方向?yàn)?0 m，建立的模型如圖5。

圖5 FLAC3D 數(shù)值模擬初始模型Fig.5 FLAC3D numerical simulation initial model

查閱相關(guān)文獻(xiàn)，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果是否更接近實(shí)際，取決于計(jì)算巖石力學(xué)參數(shù)選取的準(zhǔn)確性。根據(jù)上灣煤礦地質(zhì)綜合柱狀圖及巖石物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)資料，對(duì)該礦井的巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，本模型巖層采用的巖性參數(shù)見表3。

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過FLAC3D數(shù)值模擬計(jì)算，地表最大下沉值達(dá)到860 mm，理論預(yù)計(jì)和實(shí)測(cè)地表最大下沉值分別為857、871 mm，實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果基本相符,地表下沉云圖如圖6。從圖6 可以得出，工作面頂板存在1層20 m 厚的細(xì)粒砂巖，該巖層作為覆巖中的關(guān)鍵層，可以有效抑制裂縫向上發(fā)育，減小因采動(dòng)影響引起的地表移動(dòng)變形。

水平移動(dòng)云圖如圖7。從圖7 可以看出，地表的最大水平移動(dòng)是360 mm。理論預(yù)計(jì)和實(shí)測(cè)結(jié)果分別為361、362 mm，實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果基本相符。由于工作面采動(dòng)影響，拉應(yīng)力作用于上覆巖層產(chǎn)生裂縫，同時(shí)地表松散層較厚，阻礙了地表移動(dòng)變形水平傳播，因此，當(dāng)傾向和走向的綜合邊界角為60°左右，地表移動(dòng)范圍變化較小。

表3 巖石力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of rock mechanics parameters

圖6 下沉云圖Fig.6 Sinking clouds

圖7 水平移動(dòng)云圖Fig.7 Horizontal clouds

5 結(jié) 論

1）通過建立地表移動(dòng)觀測(cè)站，對(duì)工作面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算出上灣礦12401 工作面的巖移參數(shù)。松散層邊界角為λ=36°，基巖移動(dòng)角為η=54°，走向綜合移動(dòng)角為α=57°，傾向綜合移動(dòng)角為β=58°，計(jì)算結(jié)果表明，地表移動(dòng)變形對(duì)走向的移動(dòng)角值影響較大，由于上覆厚松散層作用，傾向移動(dòng)角值變化不大。

2）隨著工作面開采范圍擴(kuò)大，巖層的整體性收到破壞，地表有明顯的移動(dòng)變形，通過分析，地表下沉量與覆巖巖性成正比，下沉速度與巖層厚度成反比，最大下沉量達(dá)1 152 mm，最大下沉速度達(dá)16 mm/d；同時(shí)受厚松散層地質(zhì)條件影響，基巖的離層裂隙被壓密，巖層結(jié)構(gòu)被破壞，造成地表下沉量增大，下沉速度加快。

3）工作面移動(dòng)變形的實(shí)際結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果基本相符。細(xì)粒砂巖作為工作面頂板的關(guān)鍵層，可以有效抑制裂縫發(fā)育，降低地表下沉量；在厚松散層工程地質(zhì)條件下，工作面走向和傾向的綜合邊界角為60°左右時(shí)，可減少地表移動(dòng)變形范圍。