下霍煤礦厚黃土區(qū)井下工作面開采地表沉陷規(guī)律研究

李小龍

（長治三元中能煤業(yè)有限公司，山西 長治 046600)

下霍煤礦2306 工作面自回采以來，地表沉陷變形非常劇烈，在工作面上方出現(xiàn)了明顯的下沉盆地，特別是在工作面開采邊界外側(cè)，地表拉伸變形顯著。在對現(xiàn)場進(jìn)行實地觀測和資料分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值模擬計算、理論分析，揭示了本礦綜采放頂煤條件下地表沉陷變形規(guī)律和機(jī)理，為中能煤業(yè)今后開展村莊下、水體下、鐵路下、公路下采煤以及合理留設(shè)保護(hù)煤柱提供了科學(xué)依據(jù)[1-5]。

1 工程概況

下霍煤礦2306 工作面位于二采區(qū)南翼，煤層賦存厚度為4.30～5.12 m，煤層傾角0°～10°，埋藏深度為474 m，采用放頂煤工藝全部垮落法處理頂板。工作面上覆巖層產(chǎn)狀單一，呈水平構(gòu)造，地表平均標(biāo)高+942 m，礦井呈南高北低和東高西低走勢。3 煤層頂板主要巖性由泥巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖和黃土組成，巖層和巖層之間含有軟弱結(jié)構(gòu)面，其中，黃土厚度起伏較大，由東南向西北逐漸增厚，薄處有46 m，最厚可達(dá)108 m。煤層底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，局部含有粉砂巖，老底為灰色中厚～厚層細(xì)砂巖，為半堅硬～堅硬巖石。下霍煤礦地質(zhì)剖面如圖1。

圖1 下霍煤礦地質(zhì)剖面示意圖

2 巖層移動機(jī)理

2306 工作面煤層開采厚度大，煤層傾角小，工作面內(nèi)部與外部、煤層上面與下面、動態(tài)與靜態(tài)采動影響的空間—時間關(guān)系，可分為三個階段：開切眼至初次放頂、正常回采和采面全部采完。圖2 顯示了覆巖結(jié)構(gòu)在縱向和傾向推進(jìn)時上覆巖層垮落情況。

圖2 綜放采場縱傾向覆巖“三帶”示意圖

（1）開切眼至初次放頂階段

2306 工作面上覆巖層較厚，其中巖性中硬的基巖厚度超過350 m。在初次放頂時，由于采面開采面積較小，頂板巖層懸頂長度較小，頂板、底板和所采煤層中的應(yīng)力變化、巖層移動和開裂冒落范圍均比較小，采動影響不能達(dá)到地表，而僅影響一定的范圍，其主要表現(xiàn)為應(yīng)力變化及開裂冒落，其范圍大致呈拱形。

（2）正常回采階段

采面初次放頂后，工作面進(jìn)入正常推進(jìn)階段，此時采空區(qū)周圍所采煤層處于壓縮狀態(tài)。隨著工作面向前推進(jìn)及回柱放頂，采空區(qū)懸頂長度逐漸增大，支承壓力隨之增大，頂板逐漸向上冒落，上覆巖層破壞范圍逐漸擴(kuò)大，煤層老頂以梁或懸臂梁彎曲的形式沿層理面法線方向運動，產(chǎn)生斷裂、離層。由于巖層運動引起采場周圍巖體內(nèi)的應(yīng)力重新分布，成層狀彎曲巖層的下沉，使垮落破碎的巖塊逐漸被壓實。隨工作面逐步向前方推進(jìn)，冒落裂縫帶在工作面垂直方向上不再擴(kuò)展，只在工作面推進(jìn)方向向前擴(kuò)展，近似一條水平線。

（3）采面全部采完階段

采面全部采完后，采空區(qū)內(nèi)的冒落巖塊逐漸被壓實而穩(wěn)定下來。在采面頂、底板巖層及所采煤層內(nèi)部應(yīng)力重新分布并趨于平衡，巖層的移動與變形逐漸減小，在采空區(qū)內(nèi)形成最終穩(wěn)定狀態(tài)的冒落帶、裂縫帶、彎曲帶。

3 巖層與地表移動數(shù)值模擬研究

3.1 模型建立

本次數(shù)值模擬以2306 工作面開采為研究對象，建立基于UDEC 程序的二維計算模型[6]。模型取2306 工作面傾向主剖面為計算剖面。開采厚度5.0 m，煤層傾角平均5°，開采平均深度約474 m，傾向開采寬度260 m（含兩巷）。為了直觀、系統(tǒng)地反映2306工作面回采時圍巖結(jié)構(gòu)、受力及變形情況，對模型進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，模擬將基巖簡化為由砂泥互層和松散層組成的兩種巖性，巖層傾角簡化為水平。模型建立尺寸為1260 m×520 m（X×Y）。采用摩爾-庫侖（Mohr-Coulomb）模型，節(jié)理選用面接觸庫侖滑動模型。表1、表2 分別為本模型巖體和節(jié)理計算力學(xué)參數(shù)。

表1 模型巖體計算力學(xué)參數(shù)

表2 模型節(jié)理計算力學(xué)參數(shù)

3.2 計算結(jié)果分析

圖3 為通過數(shù)值計算模型得到2306 工作面開采后地表沉降曲線圖。由下沉曲線圖可以看出，2306 工作面采用綜放開采后，地表最大下沉值達(dá)到3453 mm 左右，比地表實測下沉最大值小47 mm，基本一致。現(xiàn)場實測曲線與數(shù)值計算得到的地表下沉曲線略有不同，數(shù)值計算得到的地表下沉曲線中部稍平緩，曲線邊緣收斂快。

圖3 2306 工作面開采后地表沉降曲線圖

但總體上，數(shù)值模擬2306 工作面綜放開采后地表沉陷發(fā)育規(guī)律與實測結(jié)果較為接近，能夠反映出三元中能煤業(yè)綜放開采后地表沉陷的一般規(guī)律，揭示其覆巖沉陷變形機(jī)理。

3.3 覆巖破壞分析

圖4、圖5 為通過數(shù)值計算模型得到2306 工作面開采后上覆、局部巖層特征圖。圖中明顯反映出了煤層開采后周圍巖體破壞的“三帶”特征，即垮落帶內(nèi)巖塊冒落、碎裂，為散體結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)，與原層位失去水平力的聯(lián)系。2306 工作面開采后，上覆巖層出現(xiàn)垮落現(xiàn)象，導(dǎo)致裂縫帶內(nèi)巖層發(fā)生斷裂及開裂現(xiàn)象，但仍能夠保持層狀結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性較強(qiáng)，由于水平推力的作用，巖塊與巖塊之間形成鉸接關(guān)系，并出現(xiàn)離層現(xiàn)象。彎曲帶內(nèi)巖層保持完整，巖層的破壞性很輕。由此，可確定2306 工作面綜放開采后垮落帶、導(dǎo)水裂縫帶的高度。

圖4 2306 工作面開采后上覆巖層破壞示意圖

圖5 2306 工作面覆巖破壞特征圖（m）

由巖層破壞特征來看，采空區(qū)頂板破壞主要表現(xiàn)為拉破壞。隨著工作面的不斷推進(jìn)，采空區(qū)頂板逐漸失去支撐，煤層上覆巖層內(nèi)部儲存的能量在自身重力影響下，通過一定路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)移和釋放。工作面頂板采用變形方式來釋放能量，由于頂板的變形進(jìn)而導(dǎo)致能量的釋放，工作面頂板形成拉應(yīng)力及豎向剪切應(yīng)力導(dǎo)致頂板下沉。采空區(qū)頂板靠近煤巖體時，最易發(fā)生剪切破壞，而距離采空區(qū)較遠(yuǎn)處的頂板則表現(xiàn)為拉破壞，原因與周邊煤體的限制作用有關(guān)。

從巖層破壞分布特征來看，沿傾向剖面的垮落帶、裂縫帶（即導(dǎo)水裂縫帶）發(fā)育形態(tài)形成了兩邊高中間低，呈較明顯的馬鞍形形態(tài)。數(shù)值模擬測得綜放開采條件下的垮落帶最大發(fā)育高度為40.5 m，約為煤厚的8.1 倍；導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度約在煤層上方101.9 m 處，約為煤厚的20.4 倍。與一般開采方法比較而言，綜放開采條件下覆巖破壞嚴(yán)重，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度偏大。這是由于綜放開采，一次性采全高，直接頂冒落破壞后采空區(qū)充填不滿，在覆巖下沉移動過程中，不能及時得到采空區(qū)充填體支撐反力的作用，使覆巖內(nèi)部豎向與水平方向附加拉應(yīng)力快速增大，加速了覆巖脆性破壞，導(dǎo)致覆巖內(nèi)部強(qiáng)拉伸變形和和導(dǎo)水裂縫帶高度的發(fā)展較大。

3.4 覆巖移動分析

圖6 為數(shù)值模擬2306 工作面開采后傾向主剖面上的巖層移動矢量圖。從圖中可以看出工作面綜放開采后周圍巖層的移動、破壞情況。覆巖移動情況呈反比，采動覆巖中，以采空區(qū)幾何中心為參照點，在開采影響中央?yún)^(qū)域，離中心越近則移動量越大，離中心越遠(yuǎn)則移動量越小，其中直接頂板移動量最大，對應(yīng)地表移動量最小，從而反映了開采空間造成的耗散。在巖層移動向地表發(fā)育過程中，覆巖下沉在近煤層區(qū)域表現(xiàn)為近煤層法線方向移動，在近地表區(qū)域表現(xiàn)為豎直方向移動，這反映了綜放開采后，直接頂、老頂為法向垮落、斷裂下沉，松散層或淺部巖層為豎向彎曲下沉，表現(xiàn)出了巖層采動后不同的傳播路徑和破壞程度。

圖6 2306 工作面開采后傾向主剖面巖層移動矢量圖

圖7 為數(shù)值模擬2306 工作面開采后傾向主剖面上的巖層下沉云圖。從圖中可以看出，巖層從底部向地表傳播過程中，巖層內(nèi)移動衰減不明顯，開采空間只在巖層內(nèi)耗散了小部分（約占30%），大部分被傳遞到了地表。這充分說明了綜放條件下，一次性采全高，覆巖移動劇烈，地表沉陷充分。相較于一般開采方法，綜放開采后的巖層下沉值較大，也反映了綜放開采后，直接頂、老頂移動劇烈。

圖7 2306 工作面開采后傾向主剖面巖層下沉云圖

4 結(jié)語

數(shù)值模擬結(jié)果表明，2306 工作面綜放開采后導(dǎo)水裂縫帶最大高度為101.9 m，裂高采厚比為20.4，導(dǎo)水裂縫帶比較發(fā)育，覆巖破壞非常嚴(yán)重。這是由于綜放開采，一次性采全高，直接頂冒落破壞后采空區(qū)充填不滿，在覆巖下沉移動過程中，不能及時得到采空區(qū)充填體支撐反力的作用，使覆巖內(nèi)部豎向與水平方向附加拉應(yīng)力快速增大，加速了覆巖脆性破壞，導(dǎo)致覆巖內(nèi)部強(qiáng)拉伸變形和和導(dǎo)水裂縫帶高度的發(fā)展較大。