李晉軍

(忻州市煤田地質勘探隊,山西 忻州 034000)

山地下煤層開采地表移動變形規(guī)律分析

李晉軍

(忻州市煤田地質勘探隊,山西 忻州 034000)

針對山地下煤層開采地表下沉測量預測困難的問題,采用數(shù)值模擬、理論分析和現(xiàn)場實測方法,對山地下煤層開采地表移動機理、移動變形特征進行研究。研究表明:1)山地煤層開采地表巖層極易受坡度因素影響,穩(wěn)定性變差出現(xiàn)沿坡面下滑現(xiàn)象,地表位移增加滑移分量;2)山地地表下沉曲線有明顯相關性,隨山地坡度增大,開采后地表下沉量增大、下沉曲線斜率增大,地表坡度出現(xiàn)變化時,下沉曲線同時出現(xiàn)拐點;3)持續(xù)開采后地表受采動影響范圍增大,地表出現(xiàn)水平位移的正負值交替,正值位于山坡頂部,分布范圍相對較小,負值位于山體及谷底,分布范圍較大。

山地煤層開采;地表運移;變形機理;運移特征

我國中西部地區(qū)煤炭資源賦存豐富,井田地表地形復雜多樣,不同地表形態(tài)下開采覆巖活動規(guī)律差異巨大,地表沉陷也不相同。山地由陡坡、溝谷和山頂?shù)冉M成,分布廣泛,國內外學者對山地賦存煤層開采地表運移進行大量研究[1]。受測量手段及地形復雜限制,目前對山地煤層開采地表運移精確測量預測尚未有效掌握[2-3],大大削弱對山地地表建筑物防護及控制效果,造成留設煤柱的資源浪費和地表建筑物的損傷,因此,對山地煤層開采地表移動規(guī)律研究具有重要意義。

本文以山西西曲礦山地下煤層開采為研究背景,分析山地煤層開采地表移動現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和巖層運移數(shù)值模擬結果,歸納山地煤層開采覆巖活動規(guī)律和地表運移特征,對山地煤層開采地表破壞進行預測。通過對山地條件下煤層開采地表破壞變形規(guī)律預測,為地表建筑物保護、開采損害控制和防治等提供借鑒。

1 山地煤層開采地表移動機理

已有研究表明,山地地表存在坡度時,地表巖層極易受坡度因素影響,穩(wěn)定性變差,出現(xiàn)沿坡面下滑現(xiàn)象,在不同介質接觸面上滑移更為明顯,如表土層與基巖接觸面;移動呈S型軌跡,且滑移向量與山地坡度及分布位置有關。山地不同位置處,地表移動差異明顯,在單一坡度的山坡上,受重力沿坡度方向分量影響產生向下坡坡底方向的移動,見圖1;坡度出現(xiàn)兩次或多次變化時,即山地出現(xiàn)隆起和溝谷分布,受此影響地表滑移中大小和方向出現(xiàn)突變，見圖2。

圖1 地形與附加滑移水平分量關系Fig.1 Relationship between terrain and the horizontal component of additional slip

圖2 地形與附加滑移垂直分量關系Fig.2 Relationship between terrain and the vertical component of additional slip

山地下煤層開采地表移動變形Q(x)由采動分量P(x)和滑移分量R(x)組成,即Q(x)=P(x)+R(x)。可見受山地地形影響,煤層開采地表運移具有特殊性,主要由滑移分量參數(shù)表示。滑移參數(shù)受地表巖層坡度、推進方向與坡度夾角、采煤方法、采空區(qū)處理方式等影響。將地表移動分為垂直分量W(x)與水平分量U(x),山地下煤層開采地表移動變形可表示為:

W(x)=W′(x)+ΔW(x) .

(1)

U(x)=U′(x)+ΔU(x) .

(2)

式中:W(x),U(x)為山地下煤層開采地表移動變形垂直分量、水平分量,mm;W′(x),U′(x)為水平地表下煤層開采地表移動變形垂直分量、水平分量,mm;ΔW(x),ΔU(x)為山地下煤層開采地表附加滑移垂直分量、水平分量,mm。

由上述公式可知:山地特殊賦存條件下,地表水平移動受工作面回采推進方向與地表坡度關系影響明顯。當推進方向與傾向同向時,水平移動為正值,且在移動盆地中心不為零;而推進方向與傾向背向時,坡度傾角越大,水平移動值由負值變?yōu)檎摻惶媲闆r,而正值為坡度拐點變化處。

山地特殊賦存特征下,山坡地表移動出現(xiàn)滑移分量,由此山地下煤層開采地表移動范圍遠大于水平地表賦存條件。按坡度方向,與水平賦存條件下相比,山地條件下地表移動范圍增加值下坡比上坡方向更大。

2 山地煤層開采地表移動實測

山西西曲礦受呂梁山脈影響,井田內地表地形復雜、溝谷發(fā)育,井田地勢落差較大,達到200 m～300 m。18402工作面地表為山地地形,工作面范圍內地表最大標高為1 258 m、最低為1 170 m,地表走勢見圖3。為研究山地地形下煤層開采地表活動規(guī)律,在工作面范圍內布置傾向測站26個、走向測站31個,同時布置傾向測站控制點2個，走向測站控制點3個,在2011年9月到2012年4月回采期間采用GPS測量方法實時監(jiān)測地表變形量。

圖3 西曲礦18402工作面地表走勢曲線Fig.3 Surface trend of No.18402 working face in Xiqu Mine

通過記錄的回采期間地表巖層下沉、傾斜值,得到圖4、圖5所示變形曲線。在圖4地表下沉曲線中,在A5、A16處出現(xiàn)峰值,下沉量分別達到1 700 mm和1 600 mm;在A5、A9、A14處下沉曲線分別出現(xiàn)拐點,對應于地表溝谷地形的變化。

隨回采推進工作面采空區(qū)范圍不斷增大,地表下沉逐漸增大,在地表地形出現(xiàn)拐點處下沉曲線出現(xiàn)拐點。與圖3地表走勢曲線相對應,山地地表下沉曲線有明顯相關性,隨山地坡度增大,開采后地表下沉量增大、下沉曲線斜率增大;地表坡度出現(xiàn)變化時,下沉曲線同時出現(xiàn)拐點;地表下沉受工作面布置方式影響。

圖4 山地開采地表下沉曲線Fig.4 Surface subsidence curve of mountainous coal mining

圖5 山地開采地表傾斜曲線Fig.5 Surface tilting curve of mountainous coal mining

在圖5傾向曲線中,持續(xù)開采后地表受采動影響范圍增大,地表運移傾斜曲線出現(xiàn)正負交替,整體值增大。在正向,傾斜曲線在A3、A9、A17先后出現(xiàn)峰值,達到4 mm/m、7 mm/m和2.5 mm/m,隨后轉為負值。在負向,傾斜曲線先后在A7、A15、A19出現(xiàn)峰值,最大傾斜值達到-22 mm/m。

3 山地煤層開采地表移動數(shù)值模擬研究

根據(jù)地表地形變化建立FLAC3D模型,分析山地煤層開采地表垂直位移和水平位移,得到山地煤層開采地表移動規(guī)律[4-5]。模型走向長2 030 m,寬度10 m,底面高程為922 m,地面標高為1 159 m～1 329 m。對模型底板施加水平和垂直約束,地表山地為自由邊界。

3.1垂直位移

運算平衡后進行煤炭回采,最終平衡后得到山地煤層開采垂直位移變化,見圖6。由圖6看出回采范圍內覆巖及地表均出現(xiàn)明顯下沉表現(xiàn)出“三帶”分布特征,由煤層向地表垂直位移變小,地表為1 m～2 m。對應地面溝谷位置,下沉云圖出現(xiàn)拐點,溝谷兩側地表垂直位移均大于谷底值。受地表坡度向右影響,地表向右側移動偏大。

圖6 山地開采地表垂直位移分布Fig.6 Surface vertical displacement distribution of mountainous coal mining

3.2水平位移

對圖7地表水平位移進行分析,地表出現(xiàn)水平位移的正負值交替,正值位于山坡頂部、分布范圍相對較小;負值位于山體及谷底,分布范圍較大。部分谷底處地表水平位移急劇增大,最大值達到-0.6 m,普遍大于-0.4 m。地表移動水平位移正值小于負值,坡頂最大正值小于0.4 m。模擬中水平位移變化與實測基本一致,位移變化拐點位置及變化值均較好對應。

圖7 山地開采地表水平位移分布Fig.7 Surface horizontal displacement distribution of mountainous coal mining

4 結論

1)地下煤炭開挖后上覆巖層失去支撐依次發(fā)生垮塌直至地表巖層,山地煤層開采地表巖層極易受坡度因素影響,穩(wěn)定性變差出現(xiàn)沿坡面下滑現(xiàn)象,地表位移增加滑移分量。

2)山地地表下沉曲線有明顯相關性,隨山地坡度增大,開采后地表下沉量增大、下沉曲線斜率增大;地表坡度出現(xiàn)變化時,下沉曲線同時出現(xiàn)拐點;地表下沉受工作面布置方式影響。

3)持續(xù)開采后地表受采動影響范圍增大,地表出現(xiàn)水平位移的正負值交替,正值位于山坡頂部、分布范圍相對較小;負值位于山體及谷底,分布范圍較大。

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SurfaceMovementandDeformationLawofMountainousCoalSeamMining

LIJinjun

(XinzhouCoalGeologicalExplorationTeam，Xinzhou034000，China)

Because of the difficult measurement of surface subsidence in mountainous coal mining，numerical simulation，theoretical analysis and field measurement are adopted to study surface movement mechanism and movement deformation characteristics.The results show that:1) With the surface strata of the mountainous coal seam highly susceptible to the influence of slope，its stability declines along the slope and the slip component of the surface displacement increases.2) The subsidence curve of the mountain surface and the slope correlate significantly.Surface subsidence and the curve slope increase with the mountain slope; the inflection point of the curve appears when the surface slope turns.3) After continuous mining，the influenced range of mining has increased.The positive and negative values of horizontal displacement alternately appear.While the positive value distribution，relatively small，is locating at the hilltop，the negative value distribution，larger，is located in the mountain and valley bottom.

mountainous coal mining;surface movement;deformation mechanism;migration characteristics

1672-5050(2017)02-0032-04

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.04.009

2016-12-08

李晉軍(1973-)，男，山西岢嵐人，大學本科，工程師，從事地質和測量工作。

TD325

A

(編輯:樊 敏)