煤礦工作面覆巖移動變形規律預測及模擬研究

羅 君

（山西焦煤集團有限責任公司東曲煤礦，山西 古交 030200）

0 引言

在煤礦的實際生產中，隨著工作面的不斷推進，在地表上表現變形越來越嚴重，從而對其地表的建筑物和耕地造成破壞。為了實現煤礦的高效高產的生產效果，要求對工作面的煤炭資源最大限度的利用，需要掌握由于煤炭開采所導致的覆巖的變形規律[1-3]。目前，有效掌握工作面巖層和地表變形規律的方法為通過地表移動觀測站對地表變形特征進行觀測的基礎上，綜合采用數值模擬分析手段進行綜合分析，最終得出較為準確的覆巖變形參數及規律[4-5]。本文將結合實踐生產對某礦21132（全文簡稱21132）綜采工作面的地表變形規律進行實測和數值模擬研究。

1 工程概況

本文以某礦21132 綜采工作面為例對其生產期間的地表移動變形規律進行實測。21132 工作面為煤礦可開采的7 個工作面之一，該工作面的走向長度為1 156 m，傾斜工作面的長度為180 m，可采煤層的儲量為189 萬t。該工作面的頂底板條件如表1 所示。

表1 21132 綜采工作面頂底板條件

2 地表移動變形規律實測研究

2.1 地表移動觀測站的建立

為掌握21132 綜采工作面在開采期間的地表變形量，需要在現場建立地表移動觀測站。結合21132工作面的地質和煤層條件，并參照《煤礦測量規程》中的規定在現場布置兩條觀測線，分別走向觀測線和傾向觀測線，而且保證上述兩條觀測線均在地表移動盆地的主斷面上，觀測站的具體參數如表2 所示。

表2 21132 綜采工作面地表變形觀測站設計參數

2.2 地表變形實測結果

基于上述搭建的走向和傾向觀測站對21132 綜采工作面地表盆地的形成、地表下沉特征、地表傾斜和曲率特征以及地表水平移動和變形特征綜合分析的基礎上得到了該工作面走向和傾向觀測線地表移動變形的最大值，觀測結果如表3 所示。

表3 21132 綜采工作面地表移動變形的最大值

3 覆巖移動變形規律研究

在上述對21132 綜采工作面覆巖變形實際測定的基礎上，本章節通過構建數值模擬仿真模型，對其移動變形規律進行分析。

3.1 數值模擬模型的構建與驗證

為了保證后續通過數值模擬仿真模型分析所得的覆巖變形規律的準確性，本小節基于FLAC3D 軟件構建數值模擬計算模型，并對模型的準確性進行驗證。結合21132 綜采工作面的煤巖層地質及其現場條件，構建如圖1 所示的數值模擬仿真計算模型。

圖1 數值模擬仿真計算模型

根據21132 工作面的巖層物理參數在圖1 中的模型進行設置，并將其劃分為34 200 個單元，其中包含有37 740 個節點。基于圖1 中的數值模擬仿真計算模型對其推進800 m 時地表的下沉值與實測值進行對比，以此來驗證所構建模型的準確性。地表變形的數值模擬結果與實測值對比如圖2 所示。

圖2 21132 地表下沉量實測值與模擬值對比

如圖2 所示，基于所構建的數值模擬計算模型對21132 地表下沉量的模擬值與實測值相近，但是存在一定的誤差。導致誤差的主要原因可以歸結為：21132巖層地質構造相對復雜，為了便于計算對其模型進行了簡化；在現場實測過程中由于操作人員的差異性導致存在一定的測量誤差。

經分析，可認為地表實測數據與基于數值模擬值基本一致，即驗證了模型的準確性。

3.2 覆巖移動變形規律研究

基于上述所構建的數值模擬仿真計算模型，對21132 綜采工作面上覆巖的垂直位移和應力分布規律進行仿真分析。仿真條件設置：開采長度設定為1 200 m，采高為10 m，工作面煤層傾角設定為0，開采深度設定為620 m。具體如下：

3.2.1 21132 綜采工作面上覆巖垂直位移規律分析

為詳細掌握21132 綜采工作面在開采期間工作面的覆巖垂直變形規律，在分別距離頂板為100 m、150 m、200 m、250 m、300 m 和330 m 設置6 條垂直位移觀測站，對工作面分別對推進200 m、400 m、600 m和800 m 時不同觀測站的位移變形情況進行統計。以工作面推進400 m 為例，對應的在距離頂板不同距離位置的垂直位移變化如圖3 所示。

圖3 工作面推進400 m 上覆巖垂直位移監測結果

結合工作面推進200 m、600 m 和800 m 對應的垂直位移監測結果得出如下結論：隨著工作面的不斷推進，上覆巖的垂直位移從下向上呈現為逐漸減少的變化趨勢，距離采空區的越近，其覆巖的垂直位移越大，并以采空區為中心巖層的垂直位移為中心對稱分布。

3.2.2 21132 綜采工作面上覆巖垂直應力規律分布

同樣以工作面推進400 m 為例，對應的21132 工作面上覆巖垂直應力的變化如圖4 所示。

圖4 工作面推進400 m 上覆巖垂直應力變化情況

結合工作面推進200 m、600 m 和800 m 對應上覆巖垂直應力仿真結果得出，在工作面煤層頂板處其垂直應力為零；在工作面上方的地表處其垂直應力與兩側的原有地應力相近。總的來講，隨著工作面的不斷推進，上方覆巖的垂直應力范圍不斷擴大，對應的地表沉陷盆地范圍也不斷擴大。

4 結論

綜采工作面煤層的開采除了可以獲得巨大的經濟效益外，由于地下煤層的開采對其巖層的穩定性造成破壞，從而導致工作面所在區域的地表出現不同程度的變形甚至塌陷，嚴重破壞了當地的生態環境。因此，為了減小由于煤層開采所導致的地表沉陷以及采動損害等問題，對其地表變形規律的掌握非常重要。本文結合實踐生產對21132 工作面的地表變形進行實測和模擬分析，總結如下：

1）根據21132 綜采工作面地質條件和現場條件，分別構建了走向和傾向兩個觀測線對地表位移的變形進行實際觀測，得出了最大下沉值、最大傾斜值、最大曲率值、最大水平移動值以及最大水平變形值。

2）通過數值模擬仿真分析得出，所構建的計算模型準確可作為后續模擬研究的模型。

3）通過模擬研究得出：隨著工作面的不斷推進，上覆巖的垂直位移從下向上呈現為逐漸減少的變化趨勢，距離采空區的越近，其覆巖的垂直位移越大；同時，上方覆巖的垂直應力范圍不斷擴大，對應的地表沉陷盆地范圍也不斷擴大。