不同采高條件下地表變形預測的試驗研究

李琛 常貫峰 袁永強 杜錚 趙高明

安徽理工大學礦業工程學院，中國·安徽 淮南 232001

1 引言

煤炭資源是中國的主體能源，社會的發展離不開煤炭資源的大力支持，地下煤層開采過程中，隨著工作面的不斷向前推進，采場直接頂在重力及其上覆巖層的作用下向下移動、發生彎曲，達到承載力極限后發生斷裂，直至垮落，并充填采空區，上覆巖層失去支撐便會向下沉降變形[1-3]。頂板的垮落、覆巖沉降和破壞乃至地表沉陷變形，是一個開挖、應力重分布、變形和破壞的整體全過程；地下開采過程中的采場礦山壓力、上覆巖層運動，直至引起地表沉陷變形，它們之間存在著必然的聯系，是一個統一體的變化、運動過程[4,5]。

為研究燕家河煤礦北擴區地下礦層開采對地表變形的影響，通過相似模擬試驗預測2m、4m兩種采高條件下地下煤層開挖引起的地表變形，應用Logistic模型擬合了開采后地表變形特征曲線，分析了不同采高條件下地下煤層開采上覆巖移動規律及地表的變形規律，給出了地表下沉量，從而評估不同采高條件下地下的煤層開采對地表建筑物的影響。

2 開采沉陷相似模擬試驗

2.1 地質條件

中國陜西燕家河北擴區8煤為區域內主要可采煤層，位于延安組下含煤段下部，下距延安組底界面1.87～19.66m，平均厚度為10m左右；上距5-2煤層29.34～58.51m，平均47.13m。

2.2 試驗方案與制作

試驗裝置長3m，寬0.3m，高1.6m，四周用鋼板進行圍護。結合礦區實際情況和模型尺寸，選取幾何相似比為Cι為1∶100，容重相似比Cy為0.6，故應力相似比Cσ為0.006，時間相似比Ct為1∶10。位移觀測采用拓普康GPT-7500型全站儀和三維靜態變形測量系統。

模型構建成功后按照煤巖層傾向及垂直方向布置間隔為5cm的網格線，沿網格線傾向方向，每10cm布置一個位移測點，傾向上的所有測點為一條測線，在網格線垂直方向共布置5～7條測線，如圖1所示。

圖1 試驗模型

3 覆巖結構演變特征

3.1 采高2m時覆巖結構演變規律

模擬開采過程中，工作面推進到30m時，上覆巖層直接頂發生第一次垮落，工作面推工作面推進到160m時，頂板上方100m處發生明顯的里層裂隙，工作面推進到200m時，頂板上方125m處產生離層裂隙，垂直方向上覆巖層未發生整體冒落。說明采高為2m的煤層開采過程中，上覆巖層整體發生彎曲下沉，未發生明顯的破斷冒落現象，巖層之間形成鉸接作用，并支撐上覆頂板；隨著工作面的推進，采空區內部垮落巖石逐漸被壓實，整齊地排列在采空區內，上覆巖層來壓均勻，下沉量不大，對地面的影響較小。

3.2 采高4m時覆巖結構演變規律

當工作面推進到30m時，煤層上覆頂板裂隙擴展，當工作面推進40m時，上覆頂板巖層出現初次垮落，當工作面推進60m時，頂板再次垮落，跨落長度為40m左右，頂板上方7m厚的巖石整體破斷垮落。工作面推進到200m時，頂板上方145m處產生離層裂隙，垂直方向上覆巖層未發生整體冒落。開采過程中沒有發生大范圍的整體式連續斷裂冒落，垂直方向頂板巖層分層整體發生彎曲下沉，水平方向冒落巖層相互存在鉸接連接顯現不明顯。

4 覆巖位移演變特征

4.1 采高2m時覆巖下沉量演變規律

工作面推進初期，頂板下沉量較小，開采活動對覆巖運動的影響剛剛開始，位移變化比較緩和。工作面開挖至60m時，距煤層頂板2m高度層位處，距離開啟眼10～50m之間發生垮落，最大下沉量約為1.7m。距煤層頂板12m高度處，距離開切眼20～50m之間發生垮落，頂板下沉位移最大約為0.6m。距煤層頂板22m高度層位處，距開切眼25～50m范圍內發生垮落，下沉量最大為0.3m。而距離煤層頂板較高層位處，沒有發生明顯垮落，頂板處于彎曲下沉狀態。距離煤層頂板12m層位處，由于巖層垮落后具有碎脹性，使上覆巖層不能繼續下移，因此小于2m高度層位處的頂板下沉量。距煤層頂板22m高度層位處，距切口眼15～50m之間發生垮落，最大約為0.9m。煤層頂板102m及以上高度處下沉量不大，所在巖層處于彎曲下沉的狀態，如圖2所示。

4.2 采高4 m時覆巖下沉量演變規律

工作面開挖至60m時，距煤層頂板5m高度層位處，距離開啟眼5～50m之間發生垮落，最大下沉量約為2.8m，距煤層頂板25m高度層位處，距開切眼10～30m范圍內發生垮落，下沉量最大為0.5m。工作面開挖140m時，距煤層頂板5m高度層位處，距切口眼5～135m之間發生垮落，最大下沉量約3.8m。距離煤層頂板15m層位處，由于巖層垮落后具有碎脹性，使上覆巖層不能繼續下移，因此小于5m高度層位處的頂板下沉量。距煤層頂板25m高度層位處，距切口眼10～80m之間發生垮落，最大約為1.5m。距煤層頂板105m及以上高度處下沉量不大，所在巖層處于彎曲下沉的狀態，如圖2所示。

圖2 不同采高條件覆巖結構演變特征

5 地表變形預測與分析

根據Logistic函數擬合后的不同測點位置處的曲線推算出地表下沉量曲線（煤層埋深670 m）如圖3所示。

圖3 地表下沉量預測曲線

由圖3可知，采高為4m時地表下沉量最大，為1.5m左右，地表下沉量最大位置發生在采空區中部靠左的位置，距離開切眼85m左右；采高為2m時地表下沉量最小，為0.2m左右，地表下沉量最大位置發生在采空區中部靠左的位置，距離開切眼105m左右。說明開采后頂板是逐漸下沉的，并逐漸波及地表；最大下沉量位置處，采空區冒落巖層已經基本處于壓實狀態。

6 結語

第一，2m和4m采高條件下初次來壓步距基本相同，約為40m；巖層下沉量隨采高的增加而增大，地表影響范圍也有增大的趨勢，說明采高越大對地表變形的影響越大。

第二，獲得了不同采高條件下地表的變形量。4m采高時，地表下沉量最大，為1.5m左右；2m采高時，煤層開采地表下沉量最小，為0.2m左右。

第三，位于充分采動區內的地表變形趨于穩定，而地下煤層開采對地表的影響隨時間的變化而變化，因此，在開采過程中應重點對采空區邊緣及非充分采動區內的建筑物進行觀測與維護，以減小因地下開采引起的破壞。