楊長(zhǎng)德，楊 磊，李金波，王 鵬

(1.新疆工程學(xué)院 礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830091；2.中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，北京 100120)

礦井開(kāi)采后上覆巖層會(huì)發(fā)生彎曲變形斷裂進(jìn)而使地表巖層出現(xiàn)沉降、移動(dòng)、垮塌等問(wèn)題，對(duì)采空區(qū)沉陷范圍內(nèi)的建筑物造成不同程度的影響[1]。郁文峰等[2]為了準(zhǔn)確反演受到鄰近采空區(qū)影響的地表沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)，提出了鄰近采空區(qū)影響的地表沉陷概率積分法參數(shù)反演方法。王正帥等[3]運(yùn)用概率積分法評(píng)價(jià)老采空區(qū)上方建筑地基穩(wěn)定性，其評(píng)價(jià)結(jié)果顧及了充分活化時(shí)的極限沉降變形，能夠滿足建筑物對(duì)安全性的要求。王磊等[4]提出利用變采高的小工作面開(kāi)采預(yù)計(jì)邊界“活化”引起的地表殘余移動(dòng)變形，并建立相應(yīng)的預(yù)計(jì)模型。陳明星[5]針對(duì)采區(qū)開(kāi)采時(shí)間跨度大、回采率低的特點(diǎn)，地表移動(dòng)變形預(yù)測(cè)采用概率積分法預(yù)測(cè)模型。易四海[6]根據(jù)數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，確定了長(zhǎng)壁開(kāi)采條件下地表殘余沉陷變形的概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)。楊玉龍[7]通過(guò)概率積分法對(duì)研究區(qū)地表沉降進(jìn)行預(yù)計(jì)，運(yùn)用反分析的方法，在數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)中綜合確定老采空區(qū)的實(shí)際地質(zhì)力學(xué)參數(shù)。楊逾[8]等采用FLAC3D軟件模擬了條帶開(kāi)采上覆巖層長(zhǎng)期變形特征。段偉強(qiáng)[9]通過(guò)應(yīng)用解析法計(jì)算了煤礦采空區(qū)覆巖穩(wěn)定性和采空區(qū)的殘余變形，對(duì)地表穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，同時(shí)，利用數(shù)值模擬法就煤礦采空區(qū)對(duì)地表變形的影響程度進(jìn)行了計(jì)算。在上述研究基礎(chǔ)上，本文根據(jù)主焦煤礦采空區(qū)地表移動(dòng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和相鄰礦區(qū)監(jiān)測(cè)的參數(shù)，通過(guò)概率積分法預(yù)測(cè)采空區(qū)的影響范圍，采用數(shù)值模擬對(duì)采空區(qū)沉陷范圍進(jìn)行驗(yàn)證，從而確定對(duì)岳城水庫(kù)產(chǎn)生位移和應(yīng)力的影響[10-13]。

1 工程概況

1.1 主焦煤礦地質(zhì)情況

礦井主要可采煤層二1煤賦存于山西組下部，上距砂鍋窯砂巖75m，下距L8石灰?guī)r39m。煤層頂板多為泥巖或砂質(zhì)泥巖；底板多為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖。煤層厚度5.73～8.08m，平均6.56m，為全區(qū)可采厚煤層，埋深在700m左右。礦井正常涌水量為65m3/h，最大涌水量為100m3/h，瓦斯相對(duì)涌出量為29.51m3/d，絕對(duì)涌出量為23.29m3/min，為高瓦斯礦井。煤層煤塵爆炸指數(shù)為17.89%，為爆炸危險(xiǎn)性煤層。

1.2 新采區(qū)概況

新采區(qū)并未開(kāi)采，擬布置1個(gè)采煤工作面和2個(gè)掘進(jìn)工作面進(jìn)行回采。工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采。井下采用帶式輸送機(jī)運(yùn)煤，輔助礦車運(yùn)輸矸石、材料和人員。

1.3 主焦煤礦與岳城水庫(kù)關(guān)系

主焦煤礦及相鄰煤礦與岳城水庫(kù)位置關(guān)系如圖1所示。為確保岳城水庫(kù)和大壩安全，劃定岳城水庫(kù)庫(kù)區(qū)及周邊地區(qū)煤礦禁采區(qū)和限采區(qū)。禁采區(qū)的范圍為自主壩壩腳向上游外延3900m、下游外延3100m，自副壩壩腳向上游外延3800m、下游外延3000m，兩壩頭自壩腳向外延3000m。限采區(qū)的范圍為大壩上游禁采線以上水庫(kù)保護(hù)范圍內(nèi)，大壩兩端及大壩下游禁采線以外至壩腳外延6000m范圍內(nèi)。

圖1 主焦煤礦及相鄰煤礦與岳城水庫(kù)的位置關(guān)系

從圖1可見(jiàn)，主焦煤礦位于岳城水庫(kù)禁采區(qū)之外，主焦煤礦邊界(東邊界)距離禁采區(qū)邊界的最小距離約1260m，主焦煤礦邊界(北)距離水庫(kù)洄水線的最小距離約1050m，主焦煤礦東邊界距離水庫(kù)洄水線、大壩的距離分別約2200m、5400m。但是，主焦煤礦的新采區(qū)已進(jìn)入限采區(qū)，因此，需要對(duì)新采區(qū)采煤對(duì)水庫(kù)的影響進(jìn)行分析研究，論證鄰近水庫(kù)的新采區(qū)采煤的可行性。

2 預(yù)測(cè)影響范圍

為研究新采區(qū)開(kāi)采后對(duì)水庫(kù)和大壩的影響，通過(guò)綜合評(píng)價(jià)系數(shù)、巖性影響系數(shù)、煤層傾角、埋深等參數(shù)推算預(yù)計(jì)地表沉降范圍所需的幾個(gè)參數(shù)：下沉系數(shù)q、主要影響角正切tanβ、水平移動(dòng)系數(shù)b1、拐點(diǎn)偏移距s和開(kāi)采影響傳播角θ，并通過(guò)概率積分法計(jì)算地表沉降范圍。

2.1 地表基本移動(dòng)參數(shù)的確定

1)下沉系數(shù)q：q=0.5(0.9+P)，根據(jù)主焦煤礦采空區(qū)上覆巖層巖性特征，覆巖綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P=0.76，求得q=0.83。

2)主要影響角正切tanβ：tanβ=(D+0.0032H)(1-0.0038α)，巖性影響系數(shù)D=0.76，采深H=700m，煤層傾角α為15°，求得tanβ=2.83。

3)水平移動(dòng)系數(shù)b1：b1=(1+0.0086α)b，煤層傾角α=15°，水平煤層水平移動(dòng)系數(shù)b=0.28，則b1=0.32。

4)拐點(diǎn)偏移距s：新采區(qū)開(kāi)采后拐點(diǎn)偏移距S可取為0.07H(H為700m)，求得S=49m。

5)開(kāi)采影響傳播角θ：開(kāi)采影響傳播角θ與煤層傾角α有關(guān)，當(dāng)α≤45°時(shí)，θ=90°-0.68α，由于煤層傾角α=15°，故θ=79.80°。

2.2 影響范圍的確定

新采區(qū)經(jīng)過(guò)充分采動(dòng)后，由于巖體破裂后的碎脹性和采空區(qū)邊界頂板垮落不均勻，采用概率積分法計(jì)算實(shí)際下沉表達(dá)式為[14，15]：

式中，W(x)為實(shí)際下沉值，m；q為已完成下沉系數(shù)；m為開(kāi)采厚度，m；r為最大影響半徑，m；s為拐點(diǎn)偏移距，m。

根據(jù)覆巖綜合評(píng)價(jià)系數(shù)推算得到主焦煤礦新采區(qū)地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì)參數(shù)如下：q=0.83；m=6.56m；tanβ=2.83；r=H/tanβ=700/2.83=247.35m；s=0.07H=49m。將上述參數(shù)代入式(1)可得最大影響范圍x=336m。

3 數(shù)值模擬

為研究主焦煤礦開(kāi)采造成的地層、地表變形和其對(duì)水庫(kù)和大壩的影響，采用三維有限元法作為計(jì)算分析手段。

3.1 數(shù)值模型

圖2 主焦煤礦、岳城水庫(kù)及大壩的位置關(guān)系模型

建立主焦煤礦、岳城水庫(kù)及大壩的位置關(guān)系模型，如圖2所示，三維模型中坐標(biāo)軸的規(guī)定：X軸指向漳河下游，即自主焦煤礦向岳城水庫(kù)大壩方向，大體為由西向東；Y軸指向岳城水庫(kù)北岸，即由主焦煤礦指向岳城水庫(kù)，大體為由南向北；Z軸垂直指向上。模型沿X軸向(西—東)總長(zhǎng)度為11560m，西端至主焦煤礦西邊界1600m，東端延伸到岳城水庫(kù)大壩下游1130m；模型沿Y軸向(南—北)總長(zhǎng)度為7950m，北端至岳城水庫(kù)中心，南端距離主焦煤礦南邊界2400m；模型在垂直向上取至地表，向下取至煤層底板以下700m。

3.2 計(jì)算參數(shù)及應(yīng)力平衡

根據(jù)主焦煤礦所在區(qū)域的地質(zhì)勘查成果、申家莊煤礦和六合煤礦的研究經(jīng)驗(yàn)、岳城水庫(kù)設(shè)計(jì)等資料，確定各類巖層、地層的物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 主焦煤礦巖體物理力學(xué)參數(shù)

各巖層符號(hào)代表的名稱分別為：O2m為奧陶系中統(tǒng)馬家溝組、C2b為石炭系上統(tǒng)本溪組、C3t為石炭系上統(tǒng)太原組、P1sh為二疊系下統(tǒng)山西組、P1x為二疊系下統(tǒng)下石盒子組、P2s為二疊系上統(tǒng)上石盒子組、P2sh為二疊系上統(tǒng)石千峰組、N為新近系、Q為第四系巖土體。采用彈塑性本構(gòu)模型，屈服準(zhǔn)則為摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則。

地層垂直應(yīng)力分布如圖3所示，在有圍壓的情況下，二1煤層埋深在600～800m左右，受到的垂直應(yīng)力約15～19MPa。

圖3 地層垂直應(yīng)力

3.3 新采區(qū)開(kāi)采引起的地層變形及影響范圍分析

新采區(qū)開(kāi)采后，一定范圍內(nèi)的地表出現(xiàn)了下沉變形。中部的東西向地層及地表下沉如圖4所示，由圖4可知，自煤田東邊界向外，地表發(fā)生下沉和移動(dòng)區(qū)域的寬度約約260m；在此區(qū)域之外，地層、地表變形逐漸減少，從圖4(b)還可以看出由于距離岳城水庫(kù)庫(kù)岸和大壩尚有約2000m、5100m，地表無(wú)變形。

圖4 中部的東西向剖面地層及地表下沉

中部的南北向地層及地表下沉如圖5所示，由圖5可知，自煤田北邊界向外，地表發(fā)生下沉和移動(dòng)區(qū)域的寬度約350m；此區(qū)域的外邊界向北，從圖5(b)還可以看出距離岳城水庫(kù)庫(kù)岸約700m，地表無(wú)變形。新采區(qū)開(kāi)采，東部的影響半徑比北部的略小。這是因?yàn)槿龡l近南北走向的斷層把煤田分割成了南北長(zhǎng)、東西窄的三個(gè)區(qū)域，南北向的采動(dòng)比東西向更充分。地表明顯移動(dòng)區(qū)域等值線如圖6所示，由圖6可知，地表移動(dòng)區(qū)域的寬度為300～400m。

圖5 中部的南北向剖面地層及地表下沉

圖6 地表明顯移動(dòng)區(qū)域等值線

綜合以上判斷，新采區(qū)開(kāi)采的主要影響范圍最大約350m，其影響范圍有限，距離岳城水庫(kù)庫(kù)岸的距離較遠(yuǎn)，對(duì)水庫(kù)安全無(wú)影響。

3.4 對(duì)岳城水庫(kù)大壩的影響分析

由新采區(qū)開(kāi)采引起的地層變形及影響范圍分析結(jié)果表明，主焦煤礦新采區(qū)開(kāi)采完成后，岳城水庫(kù)大壩無(wú)變形。進(jìn)一步跟蹤了壩橫剖面上游壩腳、壩軸線處的壩底、下游壩腳、壩頂?shù)?個(gè)部位(如圖7所示)的垂直應(yīng)力、水平應(yīng)力及剪應(yīng)力隨煤礦開(kāi)采過(guò)程的變化情況，如圖8所示。由圖8可見(jiàn)，在主焦煤礦現(xiàn)在開(kāi)采和新采區(qū)開(kāi)采的過(guò)程中，岳城水庫(kù)大壩應(yīng)力無(wú)變化。

圖7 岳城水庫(kù)大壩壩體應(yīng)力關(guān)注部位

圖8 壩體關(guān)鍵部位應(yīng)力變化情況

綜合分析表明，在主焦煤礦新采區(qū)開(kāi)采后，岳城水庫(kù)大壩未產(chǎn)生位移和應(yīng)力變化，主焦煤礦新采區(qū)開(kāi)采對(duì)岳城水庫(kù)大壩無(wú)影響。

4 結(jié) 論

1)概率積分法預(yù)測(cè)新采區(qū)地表下沉主要影響范圍約為336m；數(shù)值模擬主焦煤礦新采區(qū)自開(kāi)采至完成，東邊界、北邊界向外，地表發(fā)生明顯下沉和移動(dòng)的區(qū)域的寬度分別約為260m、350m。

2)數(shù)值模擬主焦煤礦新采區(qū)自開(kāi)采至完成，主要影響范圍邊緣向東距離庫(kù)岸尚有約2000m，向北距離岳城水庫(kù)庫(kù)岸尚有700m，對(duì)庫(kù)岸穩(wěn)定無(wú)影響。

3)岳城水庫(kù)大壩不同部位未因主焦煤礦開(kāi)采產(chǎn)生明顯位移和應(yīng)力變化，主焦煤礦新采區(qū)開(kāi)采對(duì)岳城水庫(kù)大壩基本無(wú)影響。