巨厚松散層下綜采工作面地表沉陷規律及其采厚效應

李開鑫, 柳昌濤, 王昊楠

(1.山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266590；2.山東科技大學 能源與礦業工程學院，山東 青島 266590)

煤炭資源對我國國民經濟的發展起著至關重要的作用，大量的煤炭從地下采出形成大范圍的采空區，導致原始的力學平衡狀態被打破，致使上覆巖層產生破斷、垮落和彎曲，由下而上傳遞至地表，導致地表的移動與沉陷[1]。大量現場實測與理論研究表明[2-4]：巨厚松散層下開采引起的地表沉陷規律與一般地質條件有所差異，主要表現為下沉系數偏大，開采損害加劇等。在厚松散層地表下沉規律的研究方面，王金莊等[5-6]對厚松散層條件下開采沉陷規律進行研究，并得出了一些有益的結論；譚志祥等[7]通過對觀測資料的分析研究，獲得了高強度綜放工作面開采時的地表移動變形規律、各種角值參數和預計參數；劉義新等[8]通過數值模擬研究表明松散層為有流變性的松散介質，巨厚松散層下深部寬條帶開采時地表不易形成波浪型下沉盆地；郭文兵等[9]基于現場實測資料研究了厚濕陷黃土層條件下開采地表動態移動特征，提出了超前裂縫角及超前裂縫距的概念，對地表裂縫特征進行進一步的分析；王啟春等[10]分析研究了厚松散層下矸石充填開采地表移動規律；張文泉等[11]基于FLAC3D建立三維數值模型，采用正交實驗法對采出率、采寬、基巖厚度、松散層厚度及采厚等5個因素進行重要性排序，并通過回歸分析得到地表最大下沉值及下沉系數與各因素的綜合函數表達式；趙高博等[12]采用三維數值模擬對覆巖破壞特征及地表沉降規律進行了綜合分析，并用概率積分法和現場實測數據對數值模擬結果的有效性進行驗證。筆者在前人研究的基礎之上，通過在彭莊煤礦建立地表移動觀測站獲取實測數據，分析了在非充分采動條件下，巨厚松散層下開采地表下沉盆地的發育情況及地表移動動態參數特征，在此基礎之上依托FLAC3D數值模擬分析了充分采動下地表下沉及移動變形情況，并進一步研究了巨厚松散層下開采地表沉陷的采厚效應，為今后類似地質采礦條件下開采對地表建筑物的保護提供理論參考。

1 地質采礦條件

彭莊煤礦位于山東省西南部，南距嘉祥縣城32 km，西距鄆城縣14 km，行政區劃屬菏澤市鄆城縣及濟寧市嘉祥縣管轄，大部分在鄆城縣境內。彭莊井田位于巨野煤田東北部，是巨野煤田規劃建設的7個井田之一，其西與郭屯井田、鄆城井田相鄰，其東部為梁寶寺井田，該井田屬于第四系全覆蓋區，含煤地層為下二迭統山西組和上石炭統太原組。該礦1301工作面為首采工作面，傾向長150 m，走向長1 350 m，煤層平均厚2.66 m，煤層傾角3°～6°，煤層結構較為簡單，平均埋深為450 m，第四系松散層厚度約為350 m，屬于巨厚松散層條件下開采的工作面，工作面采用傾斜長壁綜采放頂煤方式開采，全部垮落法管理頂板。

2 地表觀測站布置

地表移動觀測站設立于彭莊煤礦1301工作面的正上方，測區內地表基本平坦，地面標高在41 m左右。1301工作面是該礦的第一個工作面，為了充分反映地表移動與變形規律，沿礦體走向和傾向主斷面布設了兩條觀測線，觀測線均足夠長，但走向觀測線南段由于受村莊影響，部分點位偏離主斷面，并且觀測點位沒有超出影響范圍。走向觀測線共設測點57個，編號順序為Z1～Z57，傾向觀測線共設測點35個，編號順序為H1～H35，測點及觀測線與工作面的位置關系如圖1所示。

圖1 地表移動觀測站布設示意圖

3 地表移動變形特征與規律分析

3.1 地表沉陷盆地特征分析

為全面了解地表下沉及移動的全過程，自地表觀測站設站以來，共進行了17次水準測量、3次全面觀測。1301工作面地表移動觀測站不同時期下沉曲線及水平移動曲線如圖2、圖3所示,整個沉降過程中未有突變現象，下沉盆地形似鍋形。由于工作面回采范圍的限制，地表未出現平底現象，即開采未達到充分采動，但在走向觀測線方向略顯出平底現象。最終下沉盆地最大下沉值為609 mm，最大水平移動值為220 mm，將開采引起的地表移動變形觀測結果作為已知條件，利用概率積分法通過對實測資料的曲線擬合，求取得到適用于該地質采礦技術條件下充分采動時計算參數為：下沉系數q0=0.90，水平移動系數b0=0.25，主要影響角正切tanβ0=1.6。與一般的地質采礦條件相比，巨厚松散層下開采地表下沉系數明顯增大，其原因在于松散層無承載力，基巖在巨厚松散層提供的巨大載荷及自重影響下，容易發生移動變形或破斷，導致下沉量的增大；因松散層具有流變特性，地表移動變形的影響范圍也同樣較大。

圖2 地表下沉曲線

圖3 水平移動曲線

3.2 地表移動動態參數特征分析

在回采工作面推進過程中，工作面前方的地表受采動影響而下沉，此現象稱為超前影響，通常用超前影響距和超前影響角表示。通過對1301工作面推進過程中的地表移動變形觀測發現，2007年1月20日觀測的回采工作面前方Z28號測點下沉15 mm，Z27號測點下沉8 mm，此時的超前影響距為292.107 m；2007年2月6日觀測的回采工作面前方Z27號測點下沉15 mm，H19號測點下沉8 mm，此時的超前影響距約為286.494 m；2007年3月20日觀測的回采工作面前方Z25號測點下沉11 mm，Z24號測點下沉7 mm，分析可得，此時的超前影響距約為291.776 m。由此可計算得出，1301工作面開采后的最大超前影響距離為290 m，是平均采深的0.6倍，超前影響角為57.17°左右。

當地表達到充分采動后，在地表下沉速度曲線上，最大下沉速度總是滯后于回采工作面一個固定的距離，這個固定距離稱為最大下沉速度滯后距，這種現象稱為最大下沉速度滯后。地表最大下沉速度點與相應的回采工作面連線和煤層在采空區一側的夾角稱為最大下沉速度滯后角。由于1301工作面受開采范圍的限制，沒有達到充分采動，故以非充分采動時，具有最大下沉速度的點與回采工作面的距離和角度來代替最大下沉速度滯后距和最大下沉速度滯后角。根據各次監測和觀測結果的分析計算，1301工作面開采后，于2007年5月22日的觀測值與上期的觀測值計算發現，H19號測點具有最大下沉速度，最大下沉速度為11 mm/d，如圖4所示，此時，1301工作面的推進位置超前于測點的水平距離為115 m，即最大下沉速度滯后距為115 m，約為平均開采深度的0.26倍，最大下沉速度滯后角為75.62°。

圖4 H19號測點在整個移動過程中的下沉速度變化

4 數值模擬

由于1301回采工作面開采的煤層傾角小，近似為水平煤層，同時，開采區域未達到充分采動，因此通過對實測資料進行綜合整理分析，利用FLAC3D數值模擬方法，來確定1301回采工作面開采引起的地表移動變形在充分采動條件下的情況，并進一步分析不同開采厚度條件下的地表下沉及水平移動。

4.1 數值模擬設計

以彭莊煤礦1301工作面為研究對象，結合已收集到的地質資料及觀測站實測資料，運用FLAC3D數值模擬軟件對不同采厚地表下沉及水平移動情況進行分析，各巖層的物理力學參數如表1所示。模型以煤層走向為x軸，傾向為y軸，重力方向為z軸，走向長度為1 350 m，傾向長度為150 m。為了防止邊界效應對模擬結果的影響，沿著工作面走向方向、傾向方向分別向外擴展200 m，建立模型圖如圖5所示。模型底部和四周邊界均固定位移，模型上邊界自由，本構模型選擇摩爾-庫倫模型。

表1 巖層力學參數表

圖5 數值計算模型

本次數值模擬實驗共設計五個方案，模擬采厚分別為2.6 m、3.6 m、4.6 m、5.6 m、6.6 m，為使各方案模擬結果具有可比性，各模擬方案的邊界條件、巖層參數等其它條件均保持一致。

4.2 數值模擬結果分析

不同開采厚度數值模擬結果如表2所示，從模擬結果可以看出，在巨厚松散層地質采礦條件下，隨著開采厚度的增加，地表下沉幅度和下沉影響范圍呈明顯增大的趨勢，開采厚度由2.6 m逐步增大到6.6 m時，下沉系數由0.64變成0.95，增加了48%。同時，地表水平位移也隨采厚增加而增大，但采厚在4 m以下時，水平移動變形量的增幅較緩，從采厚4.6 m開始時，水平位移量漲幅較大，當采厚為6.6 m時，水平位移量達到最大(2.006 m)，如圖6所示。隨著開采厚度的增大，上覆巖層破斷后回轉及下沉空間越大，更容易發生變形和破斷，并且上覆巨厚松散層的強度較低且幾乎無承載力，只能作為載荷作用在基巖上，上覆巖層垮落填充采空區，采動影響傳播到地表，因松散層本身具有流變性的松散介質對下部巖層的破斷垮落更加敏感，導致地表下沉及水平移動值逐漸增大，地表沉陷的范圍也逐步向外擴張。

圖6 采厚與地表變形關系圖

表2 不同開采厚度數值模擬結果

基于數值模擬的結果，利用MATLAB回歸分析擬合出地表最大下沉值Wmax、下沉系數q、最大水平移動值Umax及水平移動系數b與采厚m的函數表達式：

Wmax=34.86m2+856.5m-848.1

(1)

(R-square=0.998 1)

q=-8.571×10-3m2+0.161m+0.271

(2)

(R-square=0.988)

Umax=71.86m2-220.7m+334.9

(3)

(R-square=0.999 3)

b=5×10-3m2-5×10-3m+0.137

(4)

(R-square=0.997 7)

5 結 論

(1)基于巨厚松散層下地表移動觀測站實測數據，分析可得彭莊煤礦1301工作面在非充分采動條件下地表沉陷盆地特征及地表移動動態參數特征，并利用概率積分法求得充分采動時的計算參數，可知,在巨厚松散層開采條件下，地表下沉系數與地表移動變形影響范圍都相對較大；

(2)借助FLAC3D數值模擬分析，并利用MATLAB回歸分析擬合出地表最大下沉值Wmax、下沉系數q、最大水平移動值Umax及水平移動系數b與采厚m的函數表達式，可知，在巨厚松散層地質采礦條件下，隨著開采厚度的增加，地表下沉幅度呈明顯加大的趨勢。