深部煤層開采地表最大下沉速度的主要影響因素分析

夏 琪，郝 喆,*，孫 杰，越 智，張耀君

(1.遼寧大學 環境學院，遼寧 沈陽 110036；2.內蒙古仲泰測繪技術有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引 言

開采引起的地表沉陷是造成礦區生態環境受損的源頭，地表沉陷預測和控制問題也一直受到國家的高度重視，特別是深部開采地表沉陷呈現出與淺部開采不同的時空演化規律，日益成為巖層移動控制領域的研究熱點。地表最大下沉速度是礦山開采沉陷參數中的重要組成，地表沉陷最強烈、地表建構筑物受損最嚴重的時期就是地表最大下沉速度出現的前后一段時期，同時超過90%的地表下沉量均發生在以上時期[1]。因此，開展深部開采地表最大下沉速度主要影響因素的研究，不僅可為地表沉陷預計提供依據，還對大采深綠色礦區的建設具有重要指導意義。

目前，已有一些研究人員對大采深煤礦區開采沉陷問題開展了科研工作。張海洋等[2]利用基于Konthe函數與概率積分法的沉陷預計軟件對大傾角煤層開采時的地表沉陷規律進行研究；王鈺[3]利用D-InSAR技術監測礦區地表沉陷情況，并基于概率積分法預計開采對周邊鐵路的影響；許家林等[4]通過結合數值模擬與工程現場研究發現，深部煤層開采下地表沉陷特征之所以與淺部開采存在差異，是因其覆巖主關鍵層位置與層數發生了改變；余學義等[5]、殷和健[6]、曹鑫[7]、孫祺鈺等[8]利用FLAC3D、UDEC等模擬軟件對不同開采條件下的地表沉陷情況進行分析研究；鄧偉男等[9]、閆偉濤等[10]通過實測研究的辦法分別對深部開采下地表移動參數與沉陷的動靜態規律進行分析；Jixiong Zhang[11]等以某煤礦為例，證明了煤層固廢充填技術對地表最大沉陷值的控制作用。

目前有關深部開采下地表沉陷的研究工作，主要是針對具體工程開展下沉值的演化規律分析，但關于下沉速度的探討還較為缺乏，對深部開采地表最大下沉速度影響因素的分析也尚未見報道。為此，本文以內蒙古自治區鄂爾多斯市紅慶河煤礦為研究基礎，此煤礦地表屬高原侵蝕性低中山地貌特征，多為長臂開采近水平工作面，且各工作面中的煤層在采深、采厚、覆巖類型及推進速度等方面具有差異，因此本文采用概率積分法，考慮采深、采厚、覆巖堅固性系數及推進速度4個因素，通過正交設計與全面設計模型分析得出4個因素對于地表最大下沉速度的主次影響，并分別剖析地表最大下沉速度受各因素影響的規律。研究結果可為深部開采下地表沉陷的分析預測、地表建筑物的保護提供參考依據。

1 理論基礎及方案設計

1.1 理論基礎

概率積分法是研究地表沉陷的常用方法，它是用積分形式表示出隨機形狀多工作面開采地表隨機點下沉、傾斜、曲率、水平移動和水平變形公式：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

上式中：W0為最大下沉值，mm；W0=mqcosα;m為采厚，mm；q為下沉系數;α為煤層傾角，°；r為主要影響半徑，m；r=H/tanβ;H為采深，m；tanβ為主要影響半徑正切；D為工作面開采范圍;n為工作面個數。通過dw/dt便可得到下沉速度v，mm/d。

1.2 方案設計

綜合《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采指南》[12]與研究區煤礦工作面地表巖移參數得到本次研究所需的概率積分參數，見表1。

構建不同條件下深部開采分析模型，研究采深、采厚、覆巖堅固性系數及推進速度對地表最大下沉速度的影響。目前，尚未存在公認的“深部開采”定義，國際巖石力學學會將大于500 m采深的開采定義為“深部開采”。粱政國等[13]認為1 200 m可作為超深部開采與深部開采的界限，因此在500～1 200 m之間選取3個深部開采水平，分別是600、800、1 000 m；根據《煤礦安全規程》[14]對薄煤層、中厚煤層、厚煤層的定義，選取采厚的3個水平分別為1 000、3 000、5 000 mm；按照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》[15]中對3種覆巖類型的區分，設定覆巖堅固性系數的3個水平分別對應為軟弱(<3)、中硬(3～6)與堅硬覆巖(>6)；通過對不同煤礦開采進度總結，設定工作面推進速度3個水平分別為2、4、6 m/d。

2 地表下沉曲線特征分析

首先，以采深600 m、采厚3 000 mm、覆巖堅固性系數3～6，推進速度4 m/d為例，開展深部開采地表下沉速度及下沉值的變化規律分析。據概率積分法計算，得到某隨機點地表下沉預計曲線見圖1。

圖1 地表下沉預計曲線Fig.1 Surface subsidence projection curve

由圖1可知，在全部地表下沉過程中，該隨機點的下沉速度呈現先增后減的趨勢，其過程可分為3個階段，加速下沉段、高速下沉段與減速下沉段。開采102～160 d為加速下沉段，下沉速度由0增長至1.67 mm/d；開采160～255 d為高速下沉段，下沉速度由1.67 mm/d增至21.8 mm/d，后降至1.67 mm/d；開采255 d后為減速下沉段，此時下沉速度由1.67 mm/d減至0 mm/d。

該隨機點的下沉值呈現先增大后穩定的趨勢。開采102～410 d為下沉值不斷增大的階段，下沉值由0增長至1 455 mm，其中開采160～355 d為最大下沉速度出現的時間段，也是下沉值增長最劇烈的時間段；開采410 d后下沉值趨于穩定，該隨機點的地表下沉過程逐漸結束。

3 基于正交設計法的影響因素主次分析

利用正交試驗法，研究采深(A)、采厚(B)、覆巖堅固性系數(C)、推進速度(D)對工作面地表下沉最大速度的影響。通過正交表L9(34)進行4因素3水平模擬設計。表1為正交設計方案，表2為設計結果。

由表2可知，通過地表最大下沉速度主次影響分析，得RB>RD>RC>RA，即4個因素對地表最大下沉速度的影響主次因素排列為B(采厚)、D(推進速度)、C(覆巖堅固性系數)、A(采深)。其中，RA約為RB的1/5、RD的3/10、RC的9/25，因素A(采深)相較于因素B、C、D對地表最大下沉速度的影響很小，B、C、D的貢獻率達91.5%。

4 主要因素對地表最大下沉速度影響程度分析

4.1 模擬方案

根據以上主次分析結果，因素A(采深)對地表最大下沉速度影響遠低于其它三個因素。因此，后續分析不考慮采深變化的影響，僅對因素B(采厚)、C(覆巖堅固性系數)、D(推進速度)進行全面分析。

將采深固定為800 m，采厚選擇B1=1 000 m、B2=3 000 m、B3=5 000 m，覆巖堅固性系數選擇C1<3、36，推進速度選擇D1=2 m/d、D2=4 m/d與D3=6 m/d，進行全面分析設計見表3。利用概率積分法計算表3中27個方案，得出不同采厚、覆巖堅固性系數和推進速度下的地表最大下沉速度預測情況。

表3 正交設計結果Table 3 Orthogonal design results

續表

根據表3，進行27個方案的地表最大下沉速度模擬分析，獲取因素B(采厚)、因素C(覆巖堅固性系數)與因素D(推進速度)對地表最大下沉速度的影響程度。

4.2 采厚對地表最大下沉速度的影響

以推進速度為2 m/d時為例，得不同覆巖類型下最大下沉速度隨采厚變化曲線見圖2。如圖2所示，開采煤層越厚，地表下沉速度越快。開采厚度與垮落帶、導水斷裂帶高度呈顯著正相關，即采厚越大，地表沉陷程度越嚴重，下沉速度越快。以覆巖堅固性系數C1<3為例，采厚B1=1 000 mm、B2=3 000 mm與B3=5 000 mm時對應的最大下沉速度分別為2.5、6.6、10.6 mm/d。不同覆巖堅固性系數下，地表最大下沉速度受采厚的影響程度也不同。以覆巖堅固性系數C1<3、36為例，最大下沉速度的變化率排列由快到慢為C1、C2、C3，即覆巖質地越硬，最大下沉速度受采厚影響程度越弱。

圖2 推進速度2 m/d時不同覆巖類型下最大下沉速度隨采厚變化曲線Fig.2 Variation curve of maximum subsidence velocity with mining thickness under different types of overburden when the propulsion velocity was 2 m/d

4.3 覆巖堅固性系數對地表最大下沉速度的影響

以采厚3 000 mm時為例，不同推進速度下最大下沉速度隨覆巖類型變化曲線見圖3。如圖3可知，在采厚與推進速度均固定時，地表最大下沉速度與覆巖堅硬程度呈負相關。堅硬覆巖，即覆巖堅固性系數f>6時，覆巖巖性多為中生代地層硬砂巖、硬石灰巖占主體，砂質頁巖、頁巖與輝綠巖占比較少[16]，此類巖層在開采破裂后碎脹系數增加，會充填局部采空區，進而導致地表下沉變緩慢。以推進速度D1=2 m/d為例，覆巖類型為軟弱、中硬、堅硬時對應的最大下沉速度分別為6.6、4.0、2.5 mm/d。不同推進速度下，覆巖堅固性系數對地表最大下沉速度的影響程度也不同。以推進速度D1=2 m/d、D2=4 m/d、D3= 6 m/d為例，最大下沉速度的變化率排列由快到慢為D3>D2>D1，即推進速度與最大下沉速度受覆巖堅固性系數的影響程度呈正相關；軟弱覆巖至中硬覆巖的變化率均大于中硬覆巖至堅硬覆巖的變化率。

4.4 推進速度對地表最大下沉速度的影響

以中硬覆巖情況為例，不同采厚下最大下沉速度隨推進速度變化曲線見圖4。如圖4可知，在采厚、覆巖類型均固定的情況下，最大下沉速度與推進速度呈正相關。以采厚B1=1 000 mm為例，推進速度為2、4、6 m/d時對應的最大下沉速度為1.8、2.6、4 mm/d。不同采厚下，地表最大下沉速度受推進速度的影響程度也存在差異。以采厚B1=1 000 mm、B2=3 000 mm、B3=5 000 mm為例，最大下沉速度的變化率排列由快到慢為B3、B2、B1， 即采厚越大，推進速度影響最大下沉速度的程度越深。

圖4 中硬覆巖時不同采厚下最大下沉速度隨推進速度變化曲線Fig.4 Variation curve of maximum subsidence speed with propulsion speed under different mining thicknesses in medium hard overburden

5 結 論

本文通過概率積分法，建立不同采深、采厚、覆巖堅固性系數與推進速度下的深部開采地表下沉分析模型，分析以上因素對工作面最大下沉速度的影響，得出以下結論。

(1)利用正交設計法，建立概率積分計算模型，研究采深(A)、采厚(B)、覆巖堅固性系數(C)與推進速度(D)對工作面最大下沉速度的影響，得出地表最大下沉速度的影響主次因素排列由大到小為采厚、推進速度、覆巖堅固性系數、采深。分析結果顯示因素A(采深)對指標影響顯著性最差，說明對于超過500 m的深部開采，采深并不是對地表沉陷速度影響的主導因素，這與淺部開采受開采深度影響強烈的特點具有顯著區別。

(2)在全部地表下沉過程中，該隨機點的下沉速度呈先增后減、下沉值呈先增加后穩定的趨勢。最大下沉速度出現的前后一段時間內，下沉值增長最劇烈。

(3)采厚對工作面最大下沉速度影響最大，與地表最大下沉速度呈正相關。在推進速度固定，覆巖堅固性系數不同時，地表最大下沉速度受采厚的影響程度也不同，覆巖質地越硬，最大下沉速度受采厚影響程度越弱。

(4)地表最大下沉速度與覆巖堅硬程度呈負相關。不同推進速度下，地表最大下沉速度受覆巖類型的影響程度也存在差異，推進速度與最大下沉速度受覆巖堅固性系數的影響程度呈正相關；軟弱覆巖至中硬覆巖的最大下沉速度變化率，大于中硬覆巖至堅硬覆巖的變化率。

(5)地表最大下沉速度與推進速度呈正相關。不同采厚下，地表最大下沉速度受推進速度的影響程度也存在差異，采厚越大，推進速度影響最大下沉速度的程度越深。