崔 鑫

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)大斗溝煤業(yè)公司，山西 大同 037003）

在井下開(kāi)采過(guò)程中，松散層的開(kāi)采沉陷問(wèn)題比較嚴(yán)重。由于松散層的結(jié)構(gòu)與上伏巖層存在較大差異，在采動(dòng)過(guò)程中，松散層不僅會(huì)出現(xiàn)固結(jié)壓縮變形，還會(huì)對(duì)覆巖造成破壞，加劇其沉陷變形［1-3］。具體表現(xiàn)有：地面下沉系數(shù)大于1、沉陷范圍加大、地表劇烈移動(dòng)等，使地表居民的生命財(cái)產(chǎn)受到嚴(yán)重威脅。因此，重點(diǎn)研究松散層因采動(dòng)產(chǎn)生的地表沉陷規(guī)律特征，可為安全開(kāi)采提供保障。

1 地質(zhì)概況

大斗溝礦14#煤層81621工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度1 400 m，工作面寬度180 m，走向長(zhǎng)壁開(kāi)采，開(kāi)采煤層厚度2.56～4.22 m，煤層傾角2°～6°，煤層整體比較松軟，煤層底板標(biāo)高-485～-495 m，采用全部垮落法管理頂板。14#煤層上距松散層為48.94 m，煤層老頂是細(xì)砂巖和粗砂巖，厚度為5.9～13.81 m；直接頂為灰色粉、細(xì)砂巖互層，厚度為0.8～3.65 m，裂隙發(fā)育，頂板容易垮落；偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚度0.2～0.78 m；底板的巖性粉砂巖，厚度為1.0～2.0。

2 地表沉陷數(shù)值模擬分析

2.1 數(shù)值模型

為了研究煤層覆巖遭到開(kāi)采破壞后的地表變形情況，采用離散元數(shù)值模擬軟件分析地表的沉陷變形規(guī)律［4-5］，建立長(zhǎng)度為500 m，高度為225 m的數(shù)值模型，其中，以模型的左右邊界為水平方向，模型的底部邊界為垂直方向，模型的上部區(qū)域作為數(shù)值模擬的自由邊［6］。

2.2 模擬方案及結(jié)果分析

對(duì)不同推進(jìn)距離下的地表變形情況進(jìn)行模擬，得到工作面覆巖形態(tài)及對(duì)應(yīng)的位移云圖，如圖1所示，工作面地表下沉曲線如圖2所示。

從圖1可以看出，工作面每推進(jìn)50 m，得到一次模擬結(jié)果，共推進(jìn)200 m。由于煤層頂板的厚度較大，在工作面推進(jìn)50 m時(shí)，出現(xiàn)直接頂斷裂或垮落現(xiàn)象。而在基本頂上方出現(xiàn)砌體梁結(jié)構(gòu)，上下兩層之間出現(xiàn)離層，但沒(méi)有發(fā)生斷裂［7］。在工作面推進(jìn)100 m時(shí)，基本頂出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，引起頂板發(fā)生位移變形，進(jìn)而引發(fā)地表出現(xiàn)沉陷。工作面推進(jìn)距離大于150 m后，地表沉陷值達(dá)到最大。

圖1 工作面不同推進(jìn)距離下覆巖的形態(tài)及位移云圖

圖2 工作面推進(jìn)下沉曲線

從圖2可以看出，隨著工作面推進(jìn)距離的增加，推進(jìn)速度也在不斷增大，加速了覆巖層的沉陷，縮短了巖層懸空時(shí)間，再加上開(kāi)采的高度比較大，煤層開(kāi)采產(chǎn)生的垮落帶和斷裂帶的寬度會(huì)逐漸增加，彎曲下沉段逐漸減小，這些都造成地表產(chǎn)生集中移動(dòng)變形［8］。

3 工程應(yīng)用

從數(shù)值模擬結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)地表沉陷變形數(shù)據(jù)來(lái)看，81621工作面因煤層厚度較大，在開(kāi)采過(guò)程中容易造成地表沉陷變形［9］。

在工作面上方對(duì)應(yīng)的地表位置共布置3條觀測(cè)線，其中觀測(cè)線A和B沿工作面走向方向布置，觀測(cè)線C沿工作面傾向布置。觀測(cè)線A的長(zhǎng)度為1 400 m，相鄰兩個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的距離為20 m，共布設(shè)3個(gè)控制點(diǎn)，71個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為Z1-Z71。觀測(cè)線B的長(zhǎng)度為200 m，相鄰兩個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的距離為20 m，共布設(shè)3個(gè)控制點(diǎn)，10個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為Z72-Z82。觀測(cè)線C的長(zhǎng)度為849 m，相鄰兩個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的距離為25 m，共布設(shè)3個(gè)控制點(diǎn)，34個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為Q1-Q34。測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 工作面測(cè)點(diǎn)布置

3.1 主要參數(shù)

在不同時(shí)間段內(nèi)，由于采動(dòng)過(guò)程的各個(gè)參數(shù)不盡相同，根據(jù)地表沉降量、曲線斜率、曲率、地表水平位移值及水平變形值等參數(shù)的變化，分析地表變形規(guī)律［10］。其中，通過(guò)高程值來(lái)表示地表沉降量，用多次測(cè)量得到的高程值減去初始高程值，得出地表沉降量；用兩測(cè)點(diǎn)間的沉降量除以兩測(cè)點(diǎn)間的距離得出曲線斜率；用相鄰兩段曲線的斜率之差除以相鄰兩段曲線水平距離之差得出曲率；用多次測(cè)量的控制點(diǎn)水平距離減去第一次測(cè)量的控制點(diǎn)水平距離得出地表水平位移值；用多次測(cè)量的觀測(cè)點(diǎn)水平距離除以第一次測(cè)量的觀測(cè)點(diǎn)水平距離得出地表水平變形值。

3.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上述方法得到各相關(guān)參數(shù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制出實(shí)測(cè)地表沉陷變形曲線走向如圖4所示，地表沉陷變形曲線傾向如圖5所示。

從圖4可以看出，在工作面推進(jìn)140 m時(shí)，測(cè)點(diǎn)Z42到測(cè)點(diǎn)Z22的下沉量出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，其中測(cè)點(diǎn)Z32的下沉量最大，最大為2 800 mm。在最近2次測(cè)量中，測(cè)點(diǎn)Z30到測(cè)點(diǎn)Z1的下沉量基本接近，下沉量最大為3 600 mm，其中，測(cè)點(diǎn)Z11在兩次測(cè)量中的下沉量變化最大，兩次測(cè)量的下沉量差值為27.6 mm，其余測(cè)點(diǎn)的下沉量差值都小于Z11測(cè)點(diǎn)，可以認(rèn)為走向觀測(cè)線基本穩(wěn)定。

從圖5可以看出，在工作面推進(jìn)140 m時(shí)，測(cè)點(diǎn)Q34到測(cè)點(diǎn)Q1的下沉量出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，測(cè)點(diǎn)Z13的下沉量最大，最大為3 500 mm。在最近1次測(cè)量中，測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)2次下沉拐點(diǎn)，第一次在測(cè)點(diǎn)Q30的下沉量最大，最大為3 691 mm；第二次是測(cè)點(diǎn)Z13的下沉量最大，最大為3 800 mm。由于兩次觀測(cè)的最大下沉量基本保持不變，因而可忽略第一個(gè)下沉拐點(diǎn)?？梢钥闯觯^測(cè)線兩端的下沉速度較小，中間下沉速度較大；隨著工作面的不斷推進(jìn)，觀測(cè)線的下沉速度變化較小，可以認(rèn)為傾向觀測(cè)線基本穩(wěn)定。

圖5 地表沉陷變形曲線傾向

3.3 規(guī)律分析

（1）根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，由于工作面推進(jìn)速度較快，會(huì)加速上覆巖層的垮落速度，地表沉陷變形活躍，整體分布比較集中，造成沉降盆地。

（2）由于地表沉陷變形具備松散層特征，根據(jù)沉陷變形曲線，以拐點(diǎn)作為地表移動(dòng)變形的分界線，觀測(cè)線兩端的下沉速度小、變形曲線斜率小；而中間下沉速度大、變形曲線斜率大，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變形臺(tái)階。

（3）隨著工作面推進(jìn)速度的增加，地表沉陷變形速度也在增加，且沉陷變形的速度越大，變形時(shí)間段越集中。

4 結(jié)論

1）隨著工作面推進(jìn)距離的增加，推進(jìn)速度也在不斷增大，加速了覆巖層的沉陷，縮短了巖層懸空時(shí)間，再加上開(kāi)采的高度比較大，垮落帶和斷裂帶的寬度逐漸增加，彎曲下沉段逐漸減小，造成地表移動(dòng)變形集中，可以用來(lái)研究地表沉陷變形規(guī)律。

2）通過(guò)仿真數(shù)值模擬，對(duì)大斗溝礦81621工作面的地表沉陷進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，地表在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大下沉量，之后下沉量逐漸減小且達(dá)到穩(wěn)定。

3）工作成果對(duì)類似條件的工作面開(kāi)采具體參考價(jià)值。