云頂煤業復雜煤層地表移動變形規律研究

王改偉 周俊超

（義煤集團新安縣云頂煤業有限公司，河南 洛陽 471800）

煤炭作為我國的基礎能源類型，為我國經濟平穩運行保駕護航[1]。但煤炭開采會造成地表移動變形，對礦區生態環境造成影響。為此，投入了大量人力和物力對礦山巖層移動規律及理論展開了研究[2]，建立了一批觀測站[3-4]。劉天泉院士等[5-7]提出了關于巖體變形的“三帶理論”；梵客松等[8]發現采深、采高2 個因素對厚煤層開采地表變形的影響，破壞程度在相同的地質條件下可用基采比來衡量；范天安等[9]研究了復雜地形煤礦地表變形規律；郭文兵等[10-12]對多種開采條件下采動覆巖結構穩定性進行了研究，建立了“載荷作用下采動覆巖結構力學模型”，并證明了理論分析的合理性。建立地表移動觀測站，是最有效的方法[13]。通過對地表移動變形測量，分析采動導致的地表移動變形規律，獲得相關參數，為煤礦的安全高效生產奠定基礎[14-15]。該文基于云頂煤礦12040 工作面條件，在地表布設地表移動觀測站，研究開采過程中地表移動變形規律。

1 概況

12040 工作面位于12 采區西翼，東鄰12020 工作面（已圈成），西鄰礦井邊界三角煤薄化區域，北鄰礦井邊界煤柱及三角煤區域，南鄰實揭正斷層。12040 軌道順槽317 m（平距），12040 膠帶順槽315 m（平距），切眼137 m（平距），平均煤厚3.38 m。工作面地面標高為+470～ +500 m，二1 煤層埋深為379～501 m，平均440 m。覆巖巖性為軟弱巖層，采用全部垮落法管理頂板。地表為丘嶺地貌，有少量農田和居民房屋。

2 觀測及結果分析

2.1 觀測站設計

參照12040 工作面地質采礦條件以及《煤礦測量規程》，設計走向、傾向觀測線各一條，兩條觀測線互相垂直。

1）傾向觀測線位置的確定

該礦地表在傾向方向為非充分采動，故將傾向觀測線設置于工作面采空區的中心位置。

2）走向觀測線位置的確定

走向觀測線應位于走向主斷面上，依據傾向方向非充分采動采空區向下山方向偏移的計算公式（1）：

式中：H0為平均采深，m；θ為最大下沉角，（°）。

12040 工作面平均采深為440 m，最大下沉角取（k取0.5，α取平均值15°）為82.5°。 將上述參數代入公式（1），得出走向觀測線位于采空區中心向下山方向偏移距離d約為57.9 m。

3）傾向觀測線長度的確定

傾向觀測線長度L傾按下式計算：

L傾=2h·cotφ+2（H0-h）cot（δ-Δδ）+l3（2）

式中：δ為走向移動角，取70°；l3為工作面傾向長度，取137 m；h為松散層厚度，取8 m；Δδ為走向移動角的修正值，取20°；H0為平均開采深度，取440 m；φ為松散層移動角，取45°。經計算，整條傾向觀測線長度為878 m。為便于布點，取值900 m。工作面設計一條傾向觀測線，布置31了個測點。

4）走向觀測線長度的確定

走向觀測線長度L走按下式計算：

式中：l1為工作面走向長度，取316 m；φ為松散層移動角，取45°；α為煤層傾角，平均為15°；h為松散層厚度，取8 m；γ為上山移動角，取70°；β為下山移動角，取61°；Δγ為上山移動角修正值，取20°；Δβ為下山移動角修正值，取17°；H1為采區下山邊界開采深度，約為482.3 m；H2為上山邊界開采深度，約為397.7 m。計算得出走向觀測線長度為1140 m。設置一條走向觀測線，布置39 個測點。

如編號A1、A2、A3……為傾向觀測點，編號B1、B2、B3……為走向觀測點。傾向觀測線上多為耕地，將布設觀測點在設計點附近5 m 內進行移動，以保證不影響農耕；走向觀測線上有茂密的灌木叢，為便于觀測點布設和后期觀測，實際布設點根據現場情況在不影響觀測效果的情況下作了相應調整。

圖1 工作面觀測站實際布設點位圖

2.2 地表移動盆地沉陷規律分析

12040 工作面在2022 年6 月7 日布設觀測站，使用RTK 進行了第一次全面觀測工作。其中，在10 月15 日前，平均一個星期測量一次，工作面開采過程中，地表下沉值在鄰近兩次測量中均為超過10 mm，以10 月15 日全面測量數據作為觀測點的原始觀察數據。從2022 年10 月15 日開始觀測，到工作面上方地表部分觀測點發生下沉，至2023年4 月15 日共進行了5 次測量工作。將工作面上方下沉值達到要求的觀測點觀測數據整理，表1 為傾向方向不同時期地表下沉值，表2 為走向方向不同時期地表下沉值。

如圖2 為工作面上方不同時期下沉曲線。受條件限制，早期實際觀測間隔時間并未按預先確定的時間均勻觀測，實際觀測到的曲線雖滿足下沉值增加，但最大下沉點的移動未能清楚表示出來。正常情況下到了活躍期后，下沉曲線斜率比較大，下沉劇烈且集中，表現在地表損害程度嚴重。

圖2 工作面上方不同時期下沉曲線

一般情況下，從正常推進方向下沉曲線來看，當非充分采動時，地表下沉量會隨著工作面推進距離增加而增大，下沉量最大的點也會向前移動。到活躍期時，下沉量的變化較大，下沉比較劇烈且比較聚集。由于12040 工作面影響范圍較小，同時埋深較大，最大下沉點實測值為0.15 m，未對地表造成明顯損害，如圖2（a）。

走向方向上，在下沉盆地邊緣部分，地表下沉速度較慢，部分出現了明顯的“上浮下沉”現象，有部分觀測點下沉值出現忽大忽小現象。這是因為開采后采空區上方巖層垮落，在最先發生下沉的盆地邊界會受到垂直向上的變形，在距離采空區較近一側地表發生下沉，另一側出現“上浮”現象；隨著繼續開采，地表先“上浮”部分開始下沉，距離采空區較遠區域又出現“上浮”，如圖2（b）。

根據實測數據繪制工作面上方實際三維下沉與工作面下沉等高線圖，得實測地表下沉圖，如圖3所示。X為觀測點與最大下沉點北坐標差值，Y為觀測點與最大下沉點東坐標差值，h為地表下沉值。

圖3 實測地表下沉圖

分析12040 工作面上覆巖層，巖性綜合評價系數P=0.72，進而根據P得出上覆巖層巖性影響系數D為2.0，確定12040 工作面上覆巖層移動參數如下：工作面為非充分采動，實測值對應求得值不滿足移動盆地的危險移動邊界變形值i=3 mm/m、ε=2 mm/m、k=0.2 mm/m2。

水平移動角：δ=63°；

上山移動角：γ=61.5°～64.3°；

下山移動角：

β=δ-（0.3～0.5）α=63°-0.4×15°=57°；

水平邊界角：δ0=58.2°；

上山邊界角：γ0=53.9°；

下山邊界角：

β0=δ0-（0.3～0.5）α=58.2°-0.4×15°= 52.2°；

最大下沉角：θ=90°-0.5α=90°-0.5×15°= 82.5°。

3 數值模擬

3.1 模型建立

模型的x、y方向固定約束其位移為0，約束其z方向位移為0，上部不做約束。僅考慮模型在自重力條件下產生的應力，其余條件不做考慮。建立長、寬、高為1000 m、1000 m、440 m 的摩爾-庫倫模型，開挖厚度4.5 m、寬度140 m 的二1 煤。即y=430～570；走向方向推進300 m，即x=350～650。

3.2 數值模擬結果分析

1）覆巖垂直應力分布規律

圖4 為弱膠結巖層下開采時覆巖垂直方向的應力與工作面推進距離的變化規律。當工作面未開采時，覆巖垂直方向的應力呈水平條帶式分布。如圖4（b）所示，工作面推進至100 m 時，切眼后方和工作面前方應力均出現增高現象，上覆巖層部分巖層之間有離層現象，采空區上方應力降低，形成應力降低區；工作面繼續推進，在工作面前方和切眼處應力均有升高現象，而采空區出現應力逐漸升高是因為采空區逐漸被巖石壓實導致。

圖4 隨工作面推進覆巖垂直應力分布規律

如圖4（c）～（d）所示，水平方向上，隨著開采，采空區范圍逐漸增大，在工作面前方和切眼處應力增大，在工作面靠近煤壁一側，隨著工作面向前推進，最大應力值也向前傳遞，應力下降出現在煤壁與切眼之間；當工作面推進后，采空區頂板垮落，其上方應力逐漸接近原巖應力狀態。而在另一個方向上，巖層與煤層相距越近，應力在其增高區的應力值與其降低區的應力值相差越大。

2）覆巖垂直位移分布規律

弱膠結巖層下開采時覆巖垂直位移隨著工作面推進的分布規律計算結果，如圖5 所示。若工作面達到充分采動時，巖層發生移動的范圍隨著煤炭被采出而增大，但各巖層的最大垂直位移不再增大，在12040工作面屬于非充分采動，此種情況并未出現。

圖5 隨工作面推進覆巖垂直位移分布規律

3）地表沉陷規律

工作面推進過程中，隨推進距離的增加，地表沉陷范圍逐漸呈現出一種近似對稱的分布形式。在傾斜煤層開采條件下，地表移動盆地為偏向下山方向的非對稱橢圓，形狀為碗狀或盤狀，如圖6 所示。

圖6 隨工作面推進地表下沉規律

圖7 工作面推進過程中地表下沉變化曲線

4 結論

1）建立地表觀測站，針對觀測數據進行分析研究，總結了云頂煤礦弱膠結巖層地表移動規律及其參數，繪制出了地表動態下沉曲線圖以及沉陷模擬結果圖，并對地表動態下沉規律進行了分析。

2）采用數值模擬方法和相似模擬方法對上覆巖層和地表移動規律進行了研究，并與觀測站實測資料進行了對比分析。結果表明：地表移動規律的數值模擬結果與實測結果基本吻合。