陳 杰，王 沉,2，薛 博，馮宇峰

(1.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.重慶市能源投資集團(tuán)有限公司，重慶 400060；3.應(yīng)急管理部信息研究院，北京 100029)

0 引 言

貴州省是我國南方煤炭資源豐富的省份，也是淺埋煤層發(fā)育的典型地區(qū)。近年來，國內(nèi)學(xué)者針對淺埋煤層工作面開采覆巖運(yùn)動及地表沉陷規(guī)律展開了系統(tǒng)研究。當(dāng)煤層埋深小于150 m，煤層基載比小于1且只擁有一層主關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)特征可定量判定為淺埋煤層[1]。曹勇鵬[2]對杜兒坪礦721001綜采工作面覆巖運(yùn)動進(jìn)行了數(shù)值分析與現(xiàn)場監(jiān)測，來壓期間工作面易出現(xiàn)冒頂及煤壁片幫現(xiàn)象。肖家平等[3]通過數(shù)值分析了“三軟煤層”大采高工作面開采覆巖運(yùn)動特點(diǎn)，由于開采強(qiáng)度大，直接頂薄，頂板呈分層運(yùn)動，導(dǎo)致直接頂和基本頂下部垮落充填采空區(qū)。王宗林等[4]采用數(shù)值計(jì)算與相似試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了淺埋煤層開采覆巖下沉位移，初次來壓期間，基本頂瞬間垮落，下沉位移明顯，臺階下沉特征顯著。孫光中等[5]運(yùn)用數(shù)值分析與物理模擬方法分析了巨厚煤層工作面覆巖運(yùn)動及地表移動規(guī)律，沿著工作面推進(jìn)方向，覆巖整體呈現(xiàn)梯形垮落，覆巖跨度不斷增加，引起的地表移動范圍也不斷增大。鄭志剛等[6]通過數(shù)值分析了厚黃土覆蓋區(qū)、厚煤層綜放開采條件下地表移動變形的特點(diǎn)，采深一定的情況下，地表下沉系數(shù)與黃土層厚度成正比關(guān)系。趙曉東等[7-8]采用GIS和數(shù)值模擬耦合的方法對上覆巖層空間分布和地表移動進(jìn)行了研究。王瑞[9]采用現(xiàn)場實(shí)測等手段對淺埋厚煤層工作面覆巖運(yùn)動進(jìn)行了詳細(xì)研究，采空區(qū)的中間測點(diǎn)下沉量大于周邊的下沉量，中間下沉速度較快，在整體形式上表現(xiàn)出對稱方式。孔令海等[10]應(yīng)用微震監(jiān)測系統(tǒng)對淺埋煤層工作面覆巖沉降的最大范圍進(jìn)行了預(yù)測，微震事件表現(xiàn)為動態(tài)發(fā)展特征，微震事件超前工作面200 m左右分布。戴華陽等[11]建立了傳播角變動的厚煤層開采預(yù)測模型，提出了分層充分與非充分開采條件下下沉系數(shù)與煤層開采條件的波茲曼擬合關(guān)系式。高光喆[12]對比分析了山區(qū)地貌與平原地貌對開采沉陷地表影響的差異，山脊處下沉值大于平地處下沉值，山谷處下沉值小于平地處下沉值。胡琪[13]對平原與山區(qū)地貌下的綜采工作面開采地表沉陷進(jìn)行了對比分析，山區(qū)地貌下地表移動變形范圍更大，移動變形發(fā)展更快等特點(diǎn)。徐祝賀等[14]分析了工作面開采后形成的地表沉陷區(qū)特征，根據(jù)地表沉陷區(qū)的移動變形特點(diǎn)將其分三向移動變形區(qū)、雙向移動變形區(qū)及單向移動區(qū)。

綜上，針對淺埋煤層工作面開采覆巖運(yùn)動及地表沉陷方面的研究成果比較豐富，但以上研究主要針對沖溝地貌下淺埋煤層工作面開采的情況，研究地區(qū)集中在陜西、山西地區(qū)，相對較少的涉及了貴州山區(qū)地貌特征，淺埋煤層采動作用影響山區(qū)地表穩(wěn)定性，易誘發(fā)山體崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害(普灑山體滑坡[15])，對貴州淺埋煤炭資源的開采提出了挑戰(zhàn)，因此本文以貴州普灑煤礦11101工作面為背景，對工作面覆巖運(yùn)動與地表沉陷規(guī)律進(jìn)行研究，研究成果可為類似條件工作面安全開采提供理論借鑒。

1 工程背景

普灑煤礦11101工作面主采M10煤層，設(shè)計(jì)長度為150 m，平均采高為2.1 m，煤層傾角平均11°，開采深度為50～150 m，為典型的山區(qū)地貌淺埋煤層工作面，工作面采用仰斜開采工藝。工作面為老鷹山山腳坡體下緩傾斜狀巖層覆蓋，頂板為泥巖及粉砂質(zhì)泥巖，底板為泥質(zhì)粉砂巖和泥巖，綜合柱狀如圖1所示。

圖1 煤巖體綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of coal and rock mass

2 數(shù)值模擬研究

基于UDEC模擬在采礦工程領(lǐng)域的應(yīng)用，具有能對采礦工程相關(guān)理論知識進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，并使其形象化的優(yōu)點(diǎn)。本文利用UDEC建立數(shù)值模型，研究山區(qū)地貌下淺埋煤層工作面覆巖運(yùn)動與地表沉陷規(guī)律。

2.1 數(shù)值模型建立

以普灑煤礦11101工作面為工程背景，基于現(xiàn)場工程實(shí)際概況，建立長為250 m，高為150 m的離散元數(shù)值模型，如圖2所示，力學(xué)參數(shù)見表1，節(jié)理參數(shù)見表2。

圖2 數(shù)值模型Fig.2 Numerical model

表1 各巖體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

表2 各巖體節(jié)理參數(shù)Table 2 Joint parameters of rock mass

2.2 覆巖運(yùn)動特征

在模型兩側(cè)邊界處各留有15 m的保護(hù)邊界煤柱，其作用是去除邊界應(yīng)力對開挖過程中覆巖應(yīng)力的影響，于左翼保護(hù)煤柱旁設(shè)計(jì)開切眼，開切眼寬度為10 m。模型的左右邊界施加水平約束條件，即邊界水平方向位移為0；模型的下邊界為固定邊界。開切眼設(shè)計(jì)寬度10 m，工作面開挖長度為220 m，每次推進(jìn)2 m，共計(jì)開挖110次，逐次分析。

當(dāng)工作面推進(jìn)30 m時，直接頂整體垮落，垮落后基本頂處于懸露狀態(tài)，上覆巖層未見明顯裂隙及位移，如圖3(a)所示。當(dāng)工作面開采到40 m直接頂再一次垮落，基本頂開始彎曲，基本頂上表面產(chǎn)生順層裂隙，開采空間兩側(cè)開始出現(xiàn)穿層裂隙，基本頂上方巖體未受采動干擾。當(dāng)工作面推進(jìn)50 m時，基本頂穿層裂隙擴(kuò)張直至達(dá)到巖層屈服極限，基本頂產(chǎn)生破斷，破斷后充填采空區(qū)，破斷后最大下沉值為2.42 m，基本頂上表面離層裂隙逐漸增大，上覆巖層懸露面積不斷增大，如圖3(b)所示。當(dāng)工作面推進(jìn)70 m時，基本頂產(chǎn)生周期破斷，破斷步距約20 m，破斷后覆巖形成砌體梁頂板并伴隨周期來壓，如圖3(c)所示。工作面直接頂發(fā)生四次周期性垮落，垮落至下方采空區(qū)且逐步被壓實(shí)?；卷斚鲁林导s為2.12 m，基本頂上覆巖層下表面懸露面積繼續(xù)增加，離層現(xiàn)象愈發(fā)明顯。當(dāng)工作面推進(jìn)90 m時，發(fā)生第二次周期來壓現(xiàn)象，上覆巖層開始出現(xiàn)下沉，彎曲下沉帶延伸至泥巖層位及粉砂巖層位。覆巖在進(jìn)一步對垮落巖石進(jìn)行壓實(shí)的過程中，破斷基本頂兩側(cè)巖塊逐漸被壓實(shí)，如圖3(d)所示。

圖3 工作面局部推進(jìn)圖Fig.3 Local advance graph of panel

工作面推進(jìn)120 m時，覆巖的彎曲下沉帶蔓延至M8煤層上方粉砂巖巖層，采空區(qū)垮落巖石在上覆巖層不斷彎曲下沉的擠壓下變得更密實(shí)。工作面推進(jìn)150 m時，再一次產(chǎn)生周期來壓，地表坡體上部及坡角部分產(chǎn)生坑體，可能是由于隨著工作面推進(jìn)，煤層埋深越小，對地表的影響程度越大，此時地表下沉量約為1.27 m，地表下沉模擬圖如圖4所示。工作面推進(jìn)至190 m時，地表運(yùn)動范圍不斷增加。工作面推進(jìn)至220 m時，開切眼垂直上部地表出現(xiàn)下沉且地表整體最大下沉值不再變化。分析數(shù)值模擬可知，工作面開采至30 m時直接頂垮落，基本頂懸露，隨著工作面的推進(jìn)基本頂下表面懸露面積不斷增加，當(dāng)工作面開采至50 m時，基本頂破斷，產(chǎn)生初次來壓現(xiàn)象。當(dāng)工作面開采至70 m，基本頂產(chǎn)生第二次周次破斷，之后每隔20 m左右產(chǎn)生一次來壓現(xiàn)象，因此周期破斷步距約為20 m。

圖4 推進(jìn)150 m時地表下沉模擬圖Fig.4 Simulation map of surface subsidencewhen advancing 150 m

2.3 頂板沉降特征

對工作面基本頂下沉值進(jìn)行采集分析，整理數(shù)據(jù)后得到工作面推進(jìn)過程中基本頂下沉曲線圖，如圖5所示。當(dāng)工作面推進(jìn)距離為50 m、110 m、160 m、210 m和220 m的時候，基本頂最大下沉值分別為1.14 m、1.80 m、1.88 m、1.99 m和2.13 m。工作面推進(jìn)至50 m時基本頂發(fā)生第一次破斷，說明基本頂初次垮落步距約為50 m，之后每隔20 m產(chǎn)生一次周期破斷。且在工作面開采過程中，基本頂最大下沉值為2.13 m。

圖5 不同推進(jìn)位置基本頂下沉曲線Fig.5 Basic roof subsidence curve atdifferent advancing positions

2.4 淺埋煤層開采地表移動

當(dāng)工作面從開切眼推進(jìn)至96 m時地表為上部平緩坡體;當(dāng)工作面推進(jìn)距離從96 m到160 m時地表為緩傾斜坡體;當(dāng)工作面推進(jìn)距離從160 m到220 m時地表為下部平緩坡體，且在推進(jìn)過程中工作面距離地面越來越近。工作面開采后對測線數(shù)據(jù)進(jìn)行提取整理，得到工作面開采50 m、110 m、160 m、210 m、220 m時地表沉降曲線及水平移動曲線圖，如圖6和圖7所示。

圖6 不同推進(jìn)距離地表下沉曲線Fig.6 Surface subsidence curve withdifferent advancing distance

當(dāng)工作面推進(jìn)距離為50 m、110 m、160 m和210 m的時候，地表最大下沉值分別為0.02 m、0.44 m、1.30 m、1.38 m，工作面推進(jìn)220 m時其最大下沉量與210 m時相處無幾。由圖7可知，不同推進(jìn)位置下地表下沉曲線呈現(xiàn)U型，地表下沉曲線出現(xiàn)平緩波谷，最大垂直位移量并沒有增加，說明當(dāng)工作面推進(jìn)至210 m時已達(dá)充分采動情況，位移量約為1.38 m，且地表右側(cè)最大下沉量大于左側(cè)最大下沉量，說明地表右側(cè)受工作面采動影響較大，其原因是工作面右側(cè)埋深相比于左側(cè)較小，對地表的影響更直接。推進(jìn)過程中基本頂最大下沉量與地表最大下沉量存在較大差距，表明工作面開采過程中地表下沉量既受巖石碎脹性的影響，又受巖層空間傳遞影響。

當(dāng)工作面推進(jìn)距離為50 m、110 m、160 m和210 m的時候，地表水平最大移動值分別為0.002 m、0.051 m、0.115 m和0.238 m，工作面推進(jìn)220 m時其最大移動值與210 m時相差無幾。當(dāng)工作面推進(jìn)至210 m時，地表水平移動曲線中最大水平移動值并沒有增加，說明煤層已經(jīng)達(dá)到且充分采動。由圖7可知，負(fù)值曲線區(qū)域大于正值曲線區(qū)域，工作面在推進(jìn)的過程當(dāng)中與地表的垂直距離在不斷縮小，地表受采動影響逐漸增大，地表沉陷愈發(fā)劇烈，水平移動較大，也就形成了水平移動曲線負(fù)值區(qū)域大于正值區(qū)域的點(diǎn)。

圖7 不同推進(jìn)距離地表水平移動曲線Fig.7 Surface subsidence curve at different advancing distance

3 相似模擬研究

3.1 相似模型的建立

本次試驗(yàn)的模型材料為河沙、石灰和石膏，相似模擬中幾何相似比為1∶100，按照相似理論的要求，計(jì)算得出各個分層中各種材料的重量，之后添加水和緩凝劑進(jìn)行配比鋪設(shè)。模型鋪設(shè)如圖8所示，各層所需材料值見表3。

圖8 工作面相似模擬原始模型Fig.8 Original model of similar simulation of panel

表3 模型材料配比用量Table 3 Proportion and dosage of model materials

3.2 覆巖運(yùn)動特征

實(shí)驗(yàn)開始前先進(jìn)行設(shè)備的調(diào)試及貼標(biāo)志點(diǎn)等準(zhǔn)備工作，標(biāo)志點(diǎn)沿著地表從左側(cè)依次鋪向右側(cè)，共計(jì)31個，作為地表下沉與地表移動的監(jiān)測點(diǎn)。為方便研究與計(jì)算，模型開挖后描述采用實(shí)際情況描述。開切眼距離左側(cè)邊界15 m，開切眼寬度為10 m，工作面每次開挖3 cm，開挖73次，最后一次開挖1 m，共計(jì)開挖長度為220 cm。工作面推進(jìn)的過程中，直接頂粉砂質(zhì)泥巖下部開始呈懸露狀態(tài)，覆巖尚未破壞，頂板呈現(xiàn)典型懸臂梁結(jié)構(gòu)，頂板上表面與基本頂接觸層理出現(xiàn)層間裂隙。

工作面推進(jìn)30 m，直接頂自支架后方與開切眼上部位置產(chǎn)生整體切落下沉，下沉后基本頂處于懸露狀態(tài)。下沉后破斷巖塊長度約為25 m，垮落巖塊整體較大，未完全破碎，巖層上部未見裂隙發(fā)育，如圖9(a)所示。工作面開挖48 m，基本頂懸臂梁在自身重量及覆巖應(yīng)力的共同作用下達(dá)到極限值產(chǎn)生破壞。在采空區(qū)中部懸露面積最大區(qū)域發(fā)生拉斷破壞，之后在切眼上部位置與煤壁斜上方兩側(cè)，在剪切應(yīng)力的影響下基本頂層位受剪切破壞的作用從而整體斷裂，致使工作面發(fā)生初次來壓現(xiàn)象?；卷斏戏皆谖催_(dá)到巖層強(qiáng)度極限，上部出現(xiàn)離層裂隙，裂隙發(fā)育長度5.3 m，位于采空區(qū)中部上方?；卷斂迓浜罂臻g高度為1.42 m，破斷堆積采空區(qū)巖塊長度為43 m，如圖9(b)所示。隨著工作面向前推進(jìn)，基本頂上部離層裂隙逐漸擴(kuò)張發(fā)育，開始彎曲。當(dāng)工作面推進(jìn)72 m時，采空區(qū)后方基本頂控頂距達(dá)到極限，基本頂破斷再次發(fā)生，即工作面周期來壓。其巖塊破斷垮落形態(tài)與初次垮落形態(tài)一致，來壓步距長度約為22 m?；卷攷r塊破斷后呈不規(guī)則巖塊散落填充采空區(qū)，且下落時沿煤層傾向向下山角方向移動部分距離。上覆巖層發(fā)育出水平延伸裂隙且由下沉彎曲趨勢，無顯著縱向擴(kuò)展裂隙，離層厚度約為0.3 m，如圖9(c)所示。工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，推進(jìn)92 m時，上方基本頂在自重應(yīng)力和覆巖應(yīng)力的共同作用下發(fā)生第二次周期破斷，其破斷塊體長度約為20 m，隨著基本頂?shù)牟粩鄶嗔?，覆巖開始出現(xiàn)較大的彎曲，覆巖橫向裂隙擴(kuò)張較明顯，橫向裂隙延伸至粉砂巖巖層中，覆巖未發(fā)生明顯位移。靠近地表覆巖出現(xiàn)部分微小縱向裂隙，并向下方拓展延伸，如圖9(d)所示。

圖9 工作面推進(jìn)局部圖Fig.9 Panel advancing part graph

3.3 地表位移變化規(guī)律分析

對相似模擬模型地表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，繪制11101工作面推進(jìn)距離分別為50 m、110 m，160 m、210 m、220 m時模型地表下沉曲線變化圖，分析山區(qū)地貌下淺埋煤層開采對地表移動的影響，地表下沉圖如圖10所示。

圖10 地表動態(tài)下沉曲線圖Fig.10 Dynamic surface subsidence curve

開采初期工作面推進(jìn)至50 m時，地表下沉較平緩，當(dāng)工作面開采至110 m時，最大下沉為0.47 m；隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，地表下沉量逐漸增加，距初始位置160 m時，地表的最大下沉量可達(dá)1.31 m，推進(jìn)至210 m時，最大下沉值為1.41 m；當(dāng)工作面推進(jìn)完成時最大下沉量與推進(jìn)210 m時一樣為1.41 m，說明當(dāng)工作面推進(jìn)至210 m時已達(dá)充分采動情況。對工作面不同距離推進(jìn)時地表下沉最大值進(jìn)行記錄，見表4。對觀測點(diǎn)水平移動值進(jìn)行計(jì)算，整理數(shù)據(jù)繪圖得到地表水平移動曲線圖，如圖11所示。

圖11 地表水平移動曲線圖Fig.11 Surface horizontal movement curve

表4 不同推進(jìn)距離地表最大下沉值Table 4 Maximum surface subsidence atdifferent advancing distances

隨工作面推移距離增加，水平移動值增大，水平移動測點(diǎn)數(shù)據(jù)服從正弦函數(shù)，且零點(diǎn)與極值點(diǎn)隨距離推移呈現(xiàn)出震蕩增加的趨勢。表5為不同推進(jìn)位置地表最大水平移動值。當(dāng)工作面推進(jìn)220 m時，地表水平移動值最大為0.26 m。工作面推進(jìn)的過程中，從曲線中可以看出水平移動值為0的點(diǎn)的移動在不斷擴(kuò)張，說明工作面已經(jīng)達(dá)到了充分采動，證明了水平移動值變化規(guī)律符合充分采動條件。

表5 不同推進(jìn)距離地表最大水平移動值Table 5 Maximum horizontal surface movement valueswith different advancing distances

4 結(jié) 論

1) 通過對數(shù)值模擬模型的移動變形規(guī)律分析可知，11101工作面基本頂初次來壓步距為50 m，平均周期來壓步距約為20 m。當(dāng)工作面開采220 m，基本頂下沉量達(dá)到最大為2.13 m，地表下沉值達(dá)到最大為1.45 m，地表水平最大移動值0.27 m。

2) 通過對相似模擬模型的移動變形規(guī)律分析可知，11101工作面基本頂初次來壓步距為48 m，平均周期來壓步距約為22 m。當(dāng)工作面推進(jìn)220 m，地表下沉值達(dá)到最大為1.41 m，地表水平最大移動值0.26 m，所得結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相近，為驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果提供了依據(jù)。

3) 在模擬山區(qū)地貌下淺埋煤層工作面推進(jìn)50 m時，工作面開采影響波及到達(dá)地表，當(dāng)工作面推進(jìn)150 m左右時，坡體上表面地表發(fā)生明顯位移。工作面開采顯現(xiàn)出獨(dú)特的沉陷形式，在工作面推進(jìn)的過程中，地表沉陷曲線呈現(xiàn)U型，地表下沉曲線出現(xiàn)平緩波谷。