山區地貌下淺埋煤層工作面開采覆巖運動及地表沉陷規律研究

陳 杰，王 沉,2，薛 博，馮宇峰

(1.貴州大學礦業學院，貴州 貴陽 550025；2.重慶市能源投資集團有限公司，重慶 400060；3.應急管理部信息研究院，北京 100029)

0 引 言

貴州省是我國南方煤炭資源豐富的省份，也是淺埋煤層發育的典型地區。近年來，國內學者針對淺埋煤層工作面開采覆巖運動及地表沉陷規律展開了系統研究。當煤層埋深小于150 m，煤層基載比小于1且只擁有一層主關鍵層結構特征可定量判定為淺埋煤層[1]。曹勇鵬[2]對杜兒坪礦721001綜采工作面覆巖運動進行了數值分析與現場監測，來壓期間工作面易出現冒頂及煤壁片幫現象。肖家平等[3]通過數值分析了“三軟煤層”大采高工作面開采覆巖運動特點，由于開采強度大，直接頂薄，頂板呈分層運動，導致直接頂和基本頂下部垮落充填采空區。王宗林等[4]采用數值計算與相似試驗相結合的方法研究了淺埋煤層開采覆巖下沉位移，初次來壓期間，基本頂瞬間垮落，下沉位移明顯，臺階下沉特征顯著。孫光中等[5]運用數值分析與物理模擬方法分析了巨厚煤層工作面覆巖運動及地表移動規律，沿著工作面推進方向，覆巖整體呈現梯形垮落，覆巖跨度不斷增加，引起的地表移動范圍也不斷增大。鄭志剛等[6]通過數值分析了厚黃土覆蓋區、厚煤層綜放開采條件下地表移動變形的特點，采深一定的情況下，地表下沉系數與黃土層厚度成正比關系。趙曉東等[7-8]采用GIS和數值模擬耦合的方法對上覆巖層空間分布和地表移動進行了研究。王瑞[9]采用現場實測等手段對淺埋厚煤層工作面覆巖運動進行了詳細研究，采空區的中間測點下沉量大于周邊的下沉量，中間下沉速度較快，在整體形式上表現出對稱方式。孔令海等[10]應用微震監測系統對淺埋煤層工作面覆巖沉降的最大范圍進行了預測，微震事件表現為動態發展特征，微震事件超前工作面200 m左右分布。戴華陽等[11]建立了傳播角變動的厚煤層開采預測模型，提出了分層充分與非充分開采條件下下沉系數與煤層開采條件的波茲曼擬合關系式。高光喆[12]對比分析了山區地貌與平原地貌對開采沉陷地表影響的差異，山脊處下沉值大于平地處下沉值，山谷處下沉值小于平地處下沉值。胡琪[13]對平原與山區地貌下的綜采工作面開采地表沉陷進行了對比分析，山區地貌下地表移動變形范圍更大，移動變形發展更快等特點。徐祝賀等[14]分析了工作面開采后形成的地表沉陷區特征，根據地表沉陷區的移動變形特點將其分三向移動變形區、雙向移動變形區及單向移動區。

綜上，針對淺埋煤層工作面開采覆巖運動及地表沉陷方面的研究成果比較豐富，但以上研究主要針對沖溝地貌下淺埋煤層工作面開采的情況，研究地區集中在陜西、山西地區，相對較少的涉及了貴州山區地貌特征，淺埋煤層采動作用影響山區地表穩定性，易誘發山體崩塌、滑坡等地質災害(普灑山體滑坡[15])，對貴州淺埋煤炭資源的開采提出了挑戰，因此本文以貴州普灑煤礦11101工作面為背景，對工作面覆巖運動與地表沉陷規律進行研究，研究成果可為類似條件工作面安全開采提供理論借鑒。

1 工程背景

普灑煤礦11101工作面主采M10煤層，設計長度為150 m，平均采高為2.1 m，煤層傾角平均11°，開采深度為50～150 m，為典型的山區地貌淺埋煤層工作面，工作面采用仰斜開采工藝。工作面為老鷹山山腳坡體下緩傾斜狀巖層覆蓋，頂板為泥巖及粉砂質泥巖，底板為泥質粉砂巖和泥巖，綜合柱狀如圖1所示。

圖1 煤巖體綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of coal and rock mass

2 數值模擬研究

基于UDEC模擬在采礦工程領域的應用，具有能對采礦工程相關理論知識進行數值計算和圖像顯示，并使其形象化的優點。本文利用UDEC建立數值模型，研究山區地貌下淺埋煤層工作面覆巖運動與地表沉陷規律。

2.1 數值模型建立

以普灑煤礦11101工作面為工程背景，基于現場工程實際概況，建立長為250 m，高為150 m的離散元數值模型，如圖2所示，力學參數見表1，節理參數見表2。

圖2 數值模型Fig.2 Numerical model

表1 各巖體物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

表2 各巖體節理參數Table 2 Joint parameters of rock mass

2.2 覆巖運動特征

在模型兩側邊界處各留有15 m的保護邊界煤柱，其作用是去除邊界應力對開挖過程中覆巖應力的影響，于左翼保護煤柱旁設計開切眼，開切眼寬度為10 m。模型的左右邊界施加水平約束條件，即邊界水平方向位移為0；模型的下邊界為固定邊界。開切眼設計寬度10 m，工作面開挖長度為220 m，每次推進2 m，共計開挖110次，逐次分析。

當工作面推進30 m時，直接頂整體垮落，垮落后基本頂處于懸露狀態，上覆巖層未見明顯裂隙及位移，如圖3(a)所示。當工作面開采到40 m直接頂再一次垮落，基本頂開始彎曲，基本頂上表面產生順層裂隙，開采空間兩側開始出現穿層裂隙，基本頂上方巖體未受采動干擾。當工作面推進50 m時，基本頂穿層裂隙擴張直至達到巖層屈服極限，基本頂產生破斷，破斷后充填采空區，破斷后最大下沉值為2.42 m，基本頂上表面離層裂隙逐漸增大，上覆巖層懸露面積不斷增大，如圖3(b)所示。當工作面推進70 m時，基本頂產生周期破斷，破斷步距約20 m，破斷后覆巖形成砌體梁頂板并伴隨周期來壓，如圖3(c)所示。工作面直接頂發生四次周期性垮落，垮落至下方采空區且逐步被壓實。基本頂下沉值約為2.12 m，基本頂上覆巖層下表面懸露面積繼續增加，離層現象愈發明顯。當工作面推進90 m時，發生第二次周期來壓現象，上覆巖層開始出現下沉，彎曲下沉帶延伸至泥巖層位及粉砂巖層位。覆巖在進一步對垮落巖石進行壓實的過程中，破斷基本頂兩側巖塊逐漸被壓實，如圖3(d)所示。

圖3 工作面局部推進圖Fig.3 Local advance graph of panel

工作面推進120 m時，覆巖的彎曲下沉帶蔓延至M8煤層上方粉砂巖巖層，采空區垮落巖石在上覆巖層不斷彎曲下沉的擠壓下變得更密實。工作面推進150 m時，再一次產生周期來壓，地表坡體上部及坡角部分產生坑體，可能是由于隨著工作面推進，煤層埋深越小，對地表的影響程度越大，此時地表下沉量約為1.27 m，地表下沉模擬圖如圖4所示。工作面推進至190 m時，地表運動范圍不斷增加。工作面推進至220 m時，開切眼垂直上部地表出現下沉且地表整體最大下沉值不再變化。分析數值模擬可知，工作面開采至30 m時直接頂垮落，基本頂懸露，隨著工作面的推進基本頂下表面懸露面積不斷增加，當工作面開采至50 m時，基本頂破斷，產生初次來壓現象。當工作面開采至70 m，基本頂產生第二次周次破斷，之后每隔20 m左右產生一次來壓現象，因此周期破斷步距約為20 m。

圖4 推進150 m時地表下沉模擬圖Fig.4 Simulation map of surface subsidencewhen advancing 150 m

2.3 頂板沉降特征

對工作面基本頂下沉值進行采集分析，整理數據后得到工作面推進過程中基本頂下沉曲線圖，如圖5所示。當工作面推進距離為50 m、110 m、160 m、210 m和220 m的時候，基本頂最大下沉值分別為1.14 m、1.80 m、1.88 m、1.99 m和2.13 m。工作面推進至50 m時基本頂發生第一次破斷，說明基本頂初次垮落步距約為50 m，之后每隔20 m產生一次周期破斷。且在工作面開采過程中，基本頂最大下沉值為2.13 m。

圖5 不同推進位置基本頂下沉曲線Fig.5 Basic roof subsidence curve atdifferent advancing positions

2.4 淺埋煤層開采地表移動

當工作面從開切眼推進至96 m時地表為上部平緩坡體;當工作面推進距離從96 m到160 m時地表為緩傾斜坡體;當工作面推進距離從160 m到220 m時地表為下部平緩坡體，且在推進過程中工作面距離地面越來越近。工作面開采后對測線數據進行提取整理，得到工作面開采50 m、110 m、160 m、210 m、220 m時地表沉降曲線及水平移動曲線圖，如圖6和圖7所示。

圖6 不同推進距離地表下沉曲線Fig.6 Surface subsidence curve withdifferent advancing distance

當工作面推進距離為50 m、110 m、160 m和210 m的時候，地表最大下沉值分別為0.02 m、0.44 m、1.30 m、1.38 m，工作面推進220 m時其最大下沉量與210 m時相處無幾。由圖7可知，不同推進位置下地表下沉曲線呈現U型，地表下沉曲線出現平緩波谷，最大垂直位移量并沒有增加，說明當工作面推進至210 m時已達充分采動情況，位移量約為1.38 m，且地表右側最大下沉量大于左側最大下沉量，說明地表右側受工作面采動影響較大，其原因是工作面右側埋深相比于左側較小，對地表的影響更直接。推進過程中基本頂最大下沉量與地表最大下沉量存在較大差距，表明工作面開采過程中地表下沉量既受巖石碎脹性的影響，又受巖層空間傳遞影響。

當工作面推進距離為50 m、110 m、160 m和210 m的時候，地表水平最大移動值分別為0.002 m、0.051 m、0.115 m和0.238 m，工作面推進220 m時其最大移動值與210 m時相差無幾。當工作面推進至210 m時，地表水平移動曲線中最大水平移動值并沒有增加，說明煤層已經達到且充分采動。由圖7可知，負值曲線區域大于正值曲線區域，工作面在推進的過程當中與地表的垂直距離在不斷縮小，地表受采動影響逐漸增大，地表沉陷愈發劇烈，水平移動較大，也就形成了水平移動曲線負值區域大于正值區域的點。

圖7 不同推進距離地表水平移動曲線Fig.7 Surface subsidence curve at different advancing distance

3 相似模擬研究

3.1 相似模型的建立

本次試驗的模型材料為河沙、石灰和石膏，相似模擬中幾何相似比為1∶100，按照相似理論的要求，計算得出各個分層中各種材料的重量，之后添加水和緩凝劑進行配比鋪設。模型鋪設如圖8所示，各層所需材料值見表3。

圖8 工作面相似模擬原始模型Fig.8 Original model of similar simulation of panel

表3 模型材料配比用量Table 3 Proportion and dosage of model materials

3.2 覆巖運動特征

實驗開始前先進行設備的調試及貼標志點等準備工作，標志點沿著地表從左側依次鋪向右側，共計31個，作為地表下沉與地表移動的監測點。為方便研究與計算，模型開挖后描述采用實際情況描述。開切眼距離左側邊界15 m，開切眼寬度為10 m，工作面每次開挖3 cm，開挖73次，最后一次開挖1 m，共計開挖長度為220 cm。工作面推進的過程中，直接頂粉砂質泥巖下部開始呈懸露狀態，覆巖尚未破壞，頂板呈現典型懸臂梁結構，頂板上表面與基本頂接觸層理出現層間裂隙。

工作面推進30 m，直接頂自支架后方與開切眼上部位置產生整體切落下沉，下沉后基本頂處于懸露狀態。下沉后破斷巖塊長度約為25 m，垮落巖塊整體較大，未完全破碎，巖層上部未見裂隙發育，如圖9(a)所示。工作面開挖48 m，基本頂懸臂梁在自身重量及覆巖應力的共同作用下達到極限值產生破壞。在采空區中部懸露面積最大區域發生拉斷破壞，之后在切眼上部位置與煤壁斜上方兩側，在剪切應力的影響下基本頂層位受剪切破壞的作用從而整體斷裂，致使工作面發生初次來壓現象。基本頂上方在未達到巖層強度極限，上部出現離層裂隙，裂隙發育長度5.3 m，位于采空區中部上方。基本頂垮落后空間高度為1.42 m，破斷堆積采空區巖塊長度為43 m，如圖9(b)所示。隨著工作面向前推進，基本頂上部離層裂隙逐漸擴張發育，開始彎曲。當工作面推進72 m時，采空區后方基本頂控頂距達到極限，基本頂破斷再次發生，即工作面周期來壓。其巖塊破斷垮落形態與初次垮落形態一致，來壓步距長度約為22 m。基本頂巖塊破斷后呈不規則巖塊散落填充采空區，且下落時沿煤層傾向向下山角方向移動部分距離。上覆巖層發育出水平延伸裂隙且由下沉彎曲趨勢，無顯著縱向擴展裂隙，離層厚度約為0.3 m，如圖9(c)所示。工作面繼續向前推進，推進92 m時，上方基本頂在自重應力和覆巖應力的共同作用下發生第二次周期破斷，其破斷塊體長度約為20 m，隨著基本頂的不斷斷裂，覆巖開始出現較大的彎曲，覆巖橫向裂隙擴張較明顯，橫向裂隙延伸至粉砂巖巖層中，覆巖未發生明顯位移。靠近地表覆巖出現部分微小縱向裂隙，并向下方拓展延伸，如圖9(d)所示。

圖9 工作面推進局部圖Fig.9 Panel advancing part graph

3.3 地表位移變化規律分析

對相似模擬模型地表進行數據采集，繪制11101工作面推進距離分別為50 m、110 m，160 m、210 m、220 m時模型地表下沉曲線變化圖，分析山區地貌下淺埋煤層開采對地表移動的影響，地表下沉圖如圖10所示。

圖10 地表動態下沉曲線圖Fig.10 Dynamic surface subsidence curve

開采初期工作面推進至50 m時，地表下沉較平緩，當工作面開采至110 m時，最大下沉為0.47 m；隨著工作面繼續推進，地表下沉量逐漸增加，距初始位置160 m時，地表的最大下沉量可達1.31 m，推進至210 m時，最大下沉值為1.41 m；當工作面推進完成時最大下沉量與推進210 m時一樣為1.41 m，說明當工作面推進至210 m時已達充分采動情況。對工作面不同距離推進時地表下沉最大值進行記錄，見表4。對觀測點水平移動值進行計算，整理數據繪圖得到地表水平移動曲線圖，如圖11所示。

圖11 地表水平移動曲線圖Fig.11 Surface horizontal movement curve

表4 不同推進距離地表最大下沉值Table 4 Maximum surface subsidence atdifferent advancing distances

隨工作面推移距離增加，水平移動值增大，水平移動測點數據服從正弦函數，且零點與極值點隨距離推移呈現出震蕩增加的趨勢。表5為不同推進位置地表最大水平移動值。當工作面推進220 m時，地表水平移動值最大為0.26 m。工作面推進的過程中，從曲線中可以看出水平移動值為0的點的移動在不斷擴張，說明工作面已經達到了充分采動，證明了水平移動值變化規律符合充分采動條件。

表5 不同推進距離地表最大水平移動值Table 5 Maximum horizontal surface movement valueswith different advancing distances

4 結 論

1) 通過對數值模擬模型的移動變形規律分析可知，11101工作面基本頂初次來壓步距為50 m，平均周期來壓步距約為20 m。當工作面開采220 m，基本頂下沉量達到最大為2.13 m，地表下沉值達到最大為1.45 m，地表水平最大移動值0.27 m。

2) 通過對相似模擬模型的移動變形規律分析可知，11101工作面基本頂初次來壓步距為48 m，平均周期來壓步距約為22 m。當工作面推進220 m，地表下沉值達到最大為1.41 m，地表水平最大移動值0.26 m，所得結果與數值模擬結果相近，為驗證數值模擬結果提供了依據。

3) 在模擬山區地貌下淺埋煤層工作面推進50 m時，工作面開采影響波及到達地表，當工作面推進150 m左右時，坡體上表面地表發生明顯位移。工作面開采顯現出獨特的沉陷形式，在工作面推進的過程中，地表沉陷曲線呈現U型，地表下沉曲線出現平緩波谷。