多層采空區下特厚煤層開采沉陷特征研究*

王順利，楊亞威，楊永康

(1.中煤大同能源有限責任公司,山西 大同 037000；2.太原理工大學 采礦工藝研究所，太原 030024)

工作面開采沉陷可能導致地表出現更多裂縫,造成氣體下泄、洪水倒灌等,會對礦井安全生產帶來隱患,是個永恒的難題[1-4]。國內外學者已做了大量的相關研究工作,如何萬龍、胡海峰、康志榮等,初步認為沉陷可分為沉陷裂縫區和緩慢沉陷區兩類,并用概率積分法進行了驗證[5]。因此,通過對工作面開采沉陷的觀測,探究特厚煤層多工作面采空空間疊加影響情況下的地表移動變形,可為安全生產提供現實的指導[6-7]。

本文通過分析30509工作面開采沉陷地表特征、地質資料、工作面推進情況及地表構造情況,認為影響上覆多層采空區特厚煤層開采沉陷地表特征的主要因素有回采充分程度、工作面布置空間關系、構造和上覆巖層巖性等因素[8]。

1 工程概況

中煤塔山煤礦位于大同煤田中東緣,井田呈不規則多邊形,東西寬約3.74 km,南北長約3.77 km,面積8.146 km2,批采石炭系太原組所有煤層,主要有2#、5(3-5)#、6#、7#、8#和9#煤,批采標高1 200 m～880 m。礦井四鄰情況及小煤礦分布情況置見圖1。

圖1 礦井四鄰及小煤礦分布情況圖Fig.1 Distribution of neighborhoods and small coal mines

3-5#煤煤層平均厚度為15.56 m,采用放頂煤工藝進行開采,煤層上覆巖層具有典型的大同礦區地質特征:頂板堅硬,覆巖堅硬。目前石炭二疊紀2#煤層已采完,2#煤層工作面采空區層間距平均為4.25 m～5.89 m,平均5.04 m。2#煤層之上235 m～275 m為四老溝礦開采的侏羅系大同組14#煤層采空區;再向上32 m～37 m為侏羅系大同組11#煤層采空區(1949年前舊采空區)。

2 多煤層開采地表移動變形影響分析

2.1 上組煤層開采的覆巖移動分析

各工作面回采后的煤柱塑性分布圖見圖2。

圖2 各工作面回采后的煤柱塑性分布圖Fig.2 Plastic zone distribution of coal pillars after mining

由煤柱的垂直應力云圖可知,煤柱依然處于承載狀態,下組3-5#煤層開采必然引起煤柱屈服破壞,進而引起下組煤開采強礦壓與地表的不均勻沉降。

2.2 下組煤層回采的覆巖運動規律分析

2.2.1工程地質模型

建立工程地質模型見圖3。

2.2.2垂向應力場的分布

2#煤層10205、10207和10209工作面開挖后,其垂向應力場分布云圖見圖4。

圖3 工程地質模型Fig.3 Engineering geological model

圖4 2#煤層工作面開挖初始平衡后垂向應力場分布云圖Fig.4 Vertical stress field distribution nephogram after the initial balance in the excavation of No.2 coal seam face

2.2.330509工作面位移特征分析

圖5為30509工作面開采后應力分布圖,圖6為30509工作面開采后變形分布圖。由圖5、圖6可知30509工作面回采后覆巖應力場和地表位移場分布情況,可以看出,在不考慮地質構造的情況下,地表移動大小與地表地形地貌有較大關系,埋深淺的位置,地表下沉量更大,埋深深的位置所對應的地表沉降值更小。

圖5 30509工作面開采后應力分布Fig.5 Stress distribution nephogram after the mining of No.30509 working face

圖6 30509工作面開采后變形分布Fig.6 Deformation distribution nephogram after the mining of No.30509 working

3 30509工作面地表沉陷監測與變形分析

3.1 地表移動與變形預計系統

地表移動與變形預計系統是根據概率積分法的原理和公式開發的。該軟件用于單個工作面或多個工作面疊加的地表移動與變形預計,可以預計區域中任意點(或任意一條測線)的移動變形值。利用地表移動與變形預計結果可進一步使用繪圖軟件繪制出相應的移動變形圖,以便用來分析開采沉陷規律。啟動預計軟件,將進入系統主界面,系統主界面見圖7和圖8。

圖7 系統界面Fig.7 System interface

圖8 系統主界面Fig.8 Main system

輸入工作面角點坐標后,依次輸入開采區域的各項參數,見圖9。

圖9 參數界面Fig.9 Parameter interface

經過若干項計算,若進行區域移動變形預計,則點擊計算并顯示按鈕,計算過程結束時數據文件會顯示在如圖10所示的文本框中,如果精度較高并且模型較大,則需要請用戶耐心等待一段時間才會顯示。同時區域移動變形預計中會顯示下沉、傾向和走向的水平移動、曲率、傾斜、水平變形的最大值,如圖11所示。

圖10 區域移動變形預計生成數據文件示意圖Fig.10 Illustration of expected data files generated by regional movement deformation

圖11 區域移動變形預計生成最值示意圖Fig.11 Illustration of expected maximum values generated by regional movement deformation

3.2 地表裂縫特征分析

3.2.1開采裂縫成因

由開采沉陷引起的地表裂縫特征主要受兩大因素的影響:地質條件和開采條件。地質條件主要有覆巖巖性的軟硬度、互層特征、覆蓋表土層的性質、地形微地貌等;開采技術主要有開采方法、深厚比、煤層傾角、采空區的尺寸、工作面的推進速度等。

3.2.2開采充分性指標

衡量開采充分性的指標為以下兩項之和,第一項開采充分性指標(KLi)計算公式如下:

KLi=L/Hj.

(1)

式中:L為工作面的開采寬度,m;Hj為上覆基巖厚度,m。

第二項為考慮松散層的開采充分性指標,而30509工作面上覆巖層中松散層厚度較小,因此,可以不必考慮這項的影響。

從大量觀測資料的統計分析中總結出不同巖性基巖的充分開采臨界值大致為:堅硬2.2、中硬1.4、軟巖1.0。根據公式(1)計算可得中煤塔山煤礦30509工作面走向方向和傾向方向的充分性指標分別為3.775和0.4。綜合兩項指標,即在走向方向上為充分開采,傾向方向上為非充分采動。

綜上所述,在工作面順槽附近的地表裂縫發育要比停采線附近明顯,究其原因主要是工作面走向方向已經達到充分采動,而工作面傾向方向開采尺寸較小并沒有達到充分采動,工作面上方沉陷區域內存在傾斜滑坡,地表出現比較明顯的臺階下沉也與地表斜坡有很大關系。

3.3 地表移動變形實測數據的整理與分析

3.3.1走向觀測線地表移動變形分析

煤層開采過程中,沿走向觀測線的地表下沉曲線見圖12。

圖12 走向觀測線地表下沉曲線Fig.12 Surface subsidence curves of trend observation line

由圖12可知觀測線上的地表最大下沉值為5 512 mm,煤層等效厚度為15.56 m,該地質采礦條件下的地表下沉率為0.354。工作面推進過程中,會引起某些觀測點高程上升,產生這種現象的原因主要有三個:

1)測區地形地質的影響。礦區松散層比較薄，平均厚度為10 m,部分地區基巖直接裸露于地表,而且有些測點位于山坡上。

2)上覆侏羅紀煤層的頂底板都是堅硬巖層,在塌陷的過程當中可能是以梁的形式一端下沉一端翹起。

3)地表還未達到穩定。通過分析觀測結果,可以得出該地質采礦條件下的超前影響距一般超前工作面16 m左右。

3.3.2傾向觀測線地表移動變形分析

圖13為2018年5月5日觀測的沿傾向觀測線的地表下沉曲線,由圖13可知,傾向觀測線A線上地表最大點為A22號點,下沉值為1 514 mm,最大下沉值位于工作面中軸線位置。

圖13 地表下沉曲線Fig.13 Surface subsidence curves

3.3.330509工作面開采現場實測數據分析結果

1)地表移動變形最大值。在該地質采礦條件下,30509工作面上方觀測線上地表移動變形的最大值如表1所示,走向觀測線上最大下沉點位于Z22點,其下沉值為5 512 mm。

表1 30509工作面觀測線地表移動變形最大值Table 1 Maximum value of surface movement deformation of observation line on No.30509 working face

注:傾斜的正負號的規定如下,在傾斜斷面上,指向上山方向的為正,指向下山方向的為負,在走向斷面上,指向右方向的為正,逆向走向方向的為負;曲率有正負之分,地表下沉曲線上凸為正,下凹為負;水平移動正負號的規定為在傾斜斷面上,指向煤層上山方向的為正值,指向煤層下山方向的為負值,在走向斷面上,指向右方向的移動為正,左方向的移動為負。

2)地表移動參數。通過對實測數據的整理分析，通過可得該地質采礦條件下地表下沉盆地的角量參數，如表2所示;通過采用概率積分法對實測數據進行擬合,可得該地質采礦條件下地表移動變形概率積分法的預計參數,如表3所示。

表2 地表下沉盆地角量參數Table 2 Angular parameters of surface subsidence basin

表3 概率積分參數Table 3 Probability integral parameters

4 結論

1)通過實地調研和整理分析實測數據,獲得了中煤塔山煤礦多層采空區下特厚煤層開采沉陷移動變形規律;通過實地調研和整理分析實測數據,獲得了中煤塔山煤礦特厚煤層開采地表裂縫、臺階下沉的發育規律以及地表下沉盆地的部分角量參數,例如:上山邊界角γ0=63°,上山移動角γ=69°,上山裂縫角γ″=79°。

2)得出了30509工作面采礦條件下的概率積分法預計參數,即下沉系數為0.354,水平移動系數為0.515,主要影響角正切值為1.739。

3)以NET2005為開發平臺,采用C#語言對預計模型進行了開發實現,開發了開采沉陷數據處理一體化系統。