王順利，楊亞威，楊永康

(1.中煤大同能源有限責(zé)任公司,山西 大同 037000；2.太原理工大學(xué) 采礦工藝研究所，太原 030024)

工作面開采沉陷可能導(dǎo)致地表出現(xiàn)更多裂縫,造成氣體下泄、洪水倒灌等,會對礦井安全生產(chǎn)帶來隱患,是個永恒的難題[1-4]。國內(nèi)外學(xué)者已做了大量的相關(guān)研究工作,如何萬龍、胡海峰、康志榮等,初步認(rèn)為沉陷可分為沉陷裂縫區(qū)和緩慢沉陷區(qū)兩類,并用概率積分法進(jìn)行了驗(yàn)證[5]。因此,通過對工作面開采沉陷的觀測,探究特厚煤層多工作面采空空間疊加影響情況下的地表移動變形,可為安全生產(chǎn)提供現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)[6-7]。

本文通過分析30509工作面開采沉陷地表特征、地質(zhì)資料、工作面推進(jìn)情況及地表構(gòu)造情況,認(rèn)為影響上覆多層采空區(qū)特厚煤層開采沉陷地表特征的主要因素有回采充分程度、工作面布置空間關(guān)系、構(gòu)造和上覆巖層巖性等因素[8]。

1 工程概況

中煤塔山煤礦位于大同煤田中東緣,井田呈不規(guī)則多邊形,東西寬約3.74 km,南北長約3.77 km,面積8.146 km2,批采石炭系太原組所有煤層,主要有2#、5(3-5)#、6#、7#、8#和9#煤,批采標(biāo)高1 200 m～880 m。礦井四鄰情況及小煤礦分布情況置見圖1。

圖1 礦井四鄰及小煤礦分布情況圖Fig.1 Distribution of neighborhoods and small coal mines

3-5#煤煤層平均厚度為15.56 m,采用放頂煤工藝進(jìn)行開采,煤層上覆巖層具有典型的大同礦區(qū)地質(zhì)特征:頂板堅(jiān)硬,覆巖堅(jiān)硬。目前石炭二疊紀(jì)2#煤層已采完,2#煤層工作面采空區(qū)層間距平均為4.25 m～5.89 m,平均5.04 m。2#煤層之上235 m～275 m為四老溝礦開采的侏羅系大同組14#煤層采空區(qū);再向上32 m～37 m為侏羅系大同組11#煤層采空區(qū)(1949年前舊采空區(qū))。

2 多煤層開采地表移動變形影響分析

2.1 上組煤層開采的覆巖移動分析

各工作面回采后的煤柱塑性分布圖見圖2。

圖2 各工作面回采后的煤柱塑性分布圖Fig.2 Plastic zone distribution of coal pillars after mining

由煤柱的垂直應(yīng)力云圖可知,煤柱依然處于承載狀態(tài),下組3-5#煤層開采必然引起煤柱屈服破壞,進(jìn)而引起下組煤開采強(qiáng)礦壓與地表的不均勻沉降。

2.2 下組煤層回采的覆巖運(yùn)動規(guī)律分析

2.2.1工程地質(zhì)模型

建立工程地質(zhì)模型見圖3。

2.2.2垂向應(yīng)力場的分布

2#煤層10205、10207和10209工作面開挖后,其垂向應(yīng)力場分布云圖見圖4。

圖3 工程地質(zhì)模型Fig.3 Engineering geological model

圖4 2#煤層工作面開挖初始平衡后垂向應(yīng)力場分布云圖Fig.4 Vertical stress field distribution nephogram after the initial balance in the excavation of No.2 coal seam face

2.2.330509工作面位移特征分析

圖5為30509工作面開采后應(yīng)力分布圖,圖6為30509工作面開采后變形分布圖。由圖5、圖6可知30509工作面回采后覆巖應(yīng)力場和地表位移場分布情況,可以看出,在不考慮地質(zhì)構(gòu)造的情況下,地表移動大小與地表地形地貌有較大關(guān)系,埋深淺的位置,地表下沉量更大,埋深深的位置所對應(yīng)的地表沉降值更小。

圖5 30509工作面開采后應(yīng)力分布Fig.5 Stress distribution nephogram after the mining of No.30509 working face

圖6 30509工作面開采后變形分布Fig.6 Deformation distribution nephogram after the mining of No.30509 working

3 30509工作面地表沉陷監(jiān)測與變形分析

3.1 地表移動與變形預(yù)計(jì)系統(tǒng)

地表移動與變形預(yù)計(jì)系統(tǒng)是根據(jù)概率積分法的原理和公式開發(fā)的。該軟件用于單個工作面或多個工作面疊加的地表移動與變形預(yù)計(jì),可以預(yù)計(jì)區(qū)域中任意點(diǎn)(或任意一條測線)的移動變形值。利用地表移動與變形預(yù)計(jì)結(jié)果可進(jìn)一步使用繪圖軟件繪制出相應(yīng)的移動變形圖,以便用來分析開采沉陷規(guī)律。啟動預(yù)計(jì)軟件,將進(jìn)入系統(tǒng)主界面,系統(tǒng)主界面見圖7和圖8。

圖7 系統(tǒng)界面Fig.7 System interface

圖8 系統(tǒng)主界面Fig.8 Main system

輸入工作面角點(diǎn)坐標(biāo)后,依次輸入開采區(qū)域的各項(xiàng)參數(shù),見圖9。

圖9 參數(shù)界面Fig.9 Parameter interface

經(jīng)過若干項(xiàng)計(jì)算,若進(jìn)行區(qū)域移動變形預(yù)計(jì),則點(diǎn)擊計(jì)算并顯示按鈕,計(jì)算過程結(jié)束時數(shù)據(jù)文件會顯示在如圖10所示的文本框中,如果精度較高并且模型較大,則需要請用戶耐心等待一段時間才會顯示。同時區(qū)域移動變形預(yù)計(jì)中會顯示下沉、傾向和走向的水平移動、曲率、傾斜、水平變形的最大值,如圖11所示。

圖10 區(qū)域移動變形預(yù)計(jì)生成數(shù)據(jù)文件示意圖Fig.10 Illustration of expected data files generated by regional movement deformation

圖11 區(qū)域移動變形預(yù)計(jì)生成最值示意圖Fig.11 Illustration of expected maximum values generated by regional movement deformation

3.2 地表裂縫特征分析

3.2.1開采裂縫成因

由開采沉陷引起的地表裂縫特征主要受兩大因素的影響:地質(zhì)條件和開采條件。地質(zhì)條件主要有覆巖巖性的軟硬度、互層特征、覆蓋表土層的性質(zhì)、地形微地貌等;開采技術(shù)主要有開采方法、深厚比、煤層傾角、采空區(qū)的尺寸、工作面的推進(jìn)速度等。

3.2.2開采充分性指標(biāo)

衡量開采充分性的指標(biāo)為以下兩項(xiàng)之和,第一項(xiàng)開采充分性指標(biāo)(KLi)計(jì)算公式如下:

KLi=L/Hj.

(1)

式中:L為工作面的開采寬度,m;Hj為上覆基巖厚度,m。

第二項(xiàng)為考慮松散層的開采充分性指標(biāo),而30509工作面上覆巖層中松散層厚度較小,因此,可以不必考慮這項(xiàng)的影響。

從大量觀測資料的統(tǒng)計(jì)分析中總結(jié)出不同巖性基巖的充分開采臨界值大致為:堅(jiān)硬2.2、中硬1.4、軟巖1.0。根據(jù)公式(1)計(jì)算可得中煤塔山煤礦30509工作面走向方向和傾向方向的充分性指標(biāo)分別為3.775和0.4。綜合兩項(xiàng)指標(biāo),即在走向方向上為充分開采,傾向方向上為非充分采動。

綜上所述,在工作面順槽附近的地表裂縫發(fā)育要比停采線附近明顯,究其原因主要是工作面走向方向已經(jīng)達(dá)到充分采動,而工作面傾向方向開采尺寸較小并沒有達(dá)到充分采動,工作面上方沉陷區(qū)域內(nèi)存在傾斜滑坡,地表出現(xiàn)比較明顯的臺階下沉也與地表斜坡有很大關(guān)系。

3.3 地表移動變形實(shí)測數(shù)據(jù)的整理與分析

3.3.1走向觀測線地表移動變形分析

煤層開采過程中,沿走向觀測線的地表下沉曲線見圖12。

圖12 走向觀測線地表下沉曲線Fig.12 Surface subsidence curves of trend observation line

由圖12可知觀測線上的地表最大下沉值為5 512 mm,煤層等效厚度為15.56 m,該地質(zhì)采礦條件下的地表下沉率為0.354。工作面推進(jìn)過程中,會引起某些觀測點(diǎn)高程上升,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要有三個:

1)測區(qū)地形地質(zhì)的影響。礦區(qū)松散層比較薄，平均厚度為10 m,部分地區(qū)基巖直接裸露于地表,而且有些測點(diǎn)位于山坡上。

2)上覆侏羅紀(jì)煤層的頂?shù)装宥际菆?jiān)硬巖層,在塌陷的過程當(dāng)中可能是以梁的形式一端下沉一端翹起。

3)地表還未達(dá)到穩(wěn)定。通過分析觀測結(jié)果,可以得出該地質(zhì)采礦條件下的超前影響距一般超前工作面16 m左右。

3.3.2傾向觀測線地表移動變形分析

圖13為2018年5月5日觀測的沿傾向觀測線的地表下沉曲線,由圖13可知,傾向觀測線A線上地表最大點(diǎn)為A22號點(diǎn),下沉值為1 514 mm,最大下沉值位于工作面中軸線位置。

圖13 地表下沉曲線Fig.13 Surface subsidence curves

3.3.330509工作面開采現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果

1)地表移動變形最大值。在該地質(zhì)采礦條件下,30509工作面上方觀測線上地表移動變形的最大值如表1所示,走向觀測線上最大下沉點(diǎn)位于Z22點(diǎn),其下沉值為5 512 mm。

表1 30509工作面觀測線地表移動變形最大值Table 1 Maximum value of surface movement deformation of observation line on No.30509 working face

注:傾斜的正負(fù)號的規(guī)定如下,在傾斜斷面上,指向上山方向的為正,指向下山方向的為負(fù),在走向斷面上,指向右方向的為正,逆向走向方向的為負(fù);曲率有正負(fù)之分,地表下沉曲線上凸為正,下凹為負(fù);水平移動正負(fù)號的規(guī)定為在傾斜斷面上,指向煤層上山方向的為正值,指向煤層下山方向的為負(fù)值,在走向斷面上,指向右方向的移動為正,左方向的移動為負(fù)。

2)地表移動參數(shù)。通過對實(shí)測數(shù)據(jù)的整理分析，通過可得該地質(zhì)采礦條件下地表下沉盆地的角量參數(shù)，如表2所示;通過采用概率積分法對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,可得該地質(zhì)采礦條件下地表移動變形概率積分法的預(yù)計(jì)參數(shù),如表3所示。

表2 地表下沉盆地角量參數(shù)Table 2 Angular parameters of surface subsidence basin

表3 概率積分參數(shù)Table 3 Probability integral parameters

4 結(jié)論

1)通過實(shí)地調(diào)研和整理分析實(shí)測數(shù)據(jù),獲得了中煤塔山煤礦多層采空區(qū)下特厚煤層開采沉陷移動變形規(guī)律;通過實(shí)地調(diào)研和整理分析實(shí)測數(shù)據(jù),獲得了中煤塔山煤礦特厚煤層開采地表裂縫、臺階下沉的發(fā)育規(guī)律以及地表下沉盆地的部分角量參數(shù),例如:上山邊界角γ0=63°,上山移動角γ=69°,上山裂縫角γ″=79°。

2)得出了30509工作面采礦條件下的概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù),即下沉系數(shù)為0.354,水平移動系數(shù)為0.515,主要影響角正切值為1.739。

3)以NET2005為開發(fā)平臺,采用C#語言對預(yù)計(jì)模型進(jìn)行了開發(fā)實(shí)現(xiàn),開發(fā)了開采沉陷數(shù)據(jù)處理一體化系統(tǒng)。