王比比 譚 毅, 孫 琦 楊偉強 趙高博 徐飛亞

(1.河南理工大學能源科學與工程學院,河南 焦作 454003;2.煤炭安全生產河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 焦作 454003;3.遼寧工程技術大學建筑與交通學院,遼寧 阜新 123009;4.黃河水利職業(yè)技術學院水利工程學院,河南 開封 475004)

研究覆巖地表移動變形規(guī)律是評價采動損害程 度、確定采動影響范圍及制定控制措施的基礎。因此,礦山開采導致的地表移動變形規(guī)律是國內外煤礦開采損害與保護領域的重要研究方向之一[1]。目前,關于開采引起的覆巖與地表移動規(guī)律等方面已有大量的研究成果[2-4],楊建立等[5]從現(xiàn)場監(jiān)測出發(fā),通過比較相似條件下有無斷層的地表沉陷規(guī)律,獲得有無斷層影響下的覆巖破斷規(guī)律及移動規(guī)律;張廣學等[6]基于鄂爾多斯地區(qū)營盤壕煤礦淺埋深厚煤層特點,建立地表移動觀測站進行實測,并分析了該地質采礦條件下地表下沉速度的變化特征;劉文崗等[7]對大采高近淺埋煤層綜采面覆巖運動和地表移動變形規(guī)律進行了實證研究;戴華陽[8]較為全面地闡述了覆巖與地表移動變形量的時空關系,給出了各移動變形量之間的數(shù)學關系。概率積分法也是研究地表移動變形規(guī)律的一種重要手段,已通過大量工程實踐證實[9-11]。郭文兵[12]通過改進計算參數(shù)的預計方法,采用全采多工作面疊加預計方法,準確地進行了深部條帶開采地表移動和變形預計;余學義等[13]以陳家溝煤礦為例,對大采深綜放開采方面的概率積分法進行了應用研究;王顯軍等[14]以松河礦區(qū)為例,采用顧及山區(qū)地形因素和山體滑移影響的改進概率積分法,對山區(qū)煤礦開采進行了地表沉陷移動變形預測;趙博等[15]針對山區(qū)急傾斜煤層開發(fā)出了基于MATLAB 的開采沉陷預計系統(tǒng)并進行了驗證;陸玉根等[16]研究了大采深上覆巖體變形規(guī)律;周棒等[17]針對概率積分法在采空區(qū)邊緣預計精度不理想的問題,引用概率積分法修正模型并利用遞減步長的果蠅算法對模型參數(shù)進行了反演,結合反演得到的概率積分法修正模型參數(shù)計算了各觀測點的擬合值,并與實測值進行了對比驗證,對研究特定工作面開采上方地表的移動變形規(guī)律具有積極作用。相關研究表明:概率積分法得到的數(shù)據(jù)與實測值有很好的契合度,可用于指導地表移動變形規(guī)律的研究。但不少礦區(qū)由于工作面地表情況復雜,因而無法建立常規(guī)巖移觀測站獲取監(jiān)測數(shù)據(jù),對該類情形下的地表移動變形規(guī)律的研究有待深入。

本研究以山西某礦20210 工作面山區(qū)復雜地表地形為工程背景建立地表移動網(wǎng)狀觀測站,依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》(2017)[18](以下簡稱“三下”開采規(guī)范),結合概率積分法,對地表移動變形規(guī)律及巖層角量參數(shù)進行研究。研究成果對于該礦區(qū)的保護煤柱設計以及“三下”開采方案和網(wǎng)狀觀測站設計具有一定的借鑒意義。

1 工程地質條件

1.1 工作面概況

研究區(qū)位于祁呂賀蘭山字型構造前弧東翼內側,區(qū)域地質應力方向大致為NW—SE 向的擠壓。地形復雜,切割強烈,溝谷呈“V”字形。礦井地表植被灌木叢生,特別是20210 工作面更是復雜,工作面上方存在洗煤廠、水文鉆孔及附近存在國家重要線路G309、河溝,而20210 工作面上方叢林密布、灌木叢生不適合建立觀測站(圖1),隨著采礦生產的進行,對地面的影響范圍也會日趨擴大,有必要針對性地研究開采引起的巖層和地表移動規(guī)律。

圖1 20210 工作面及觀測站位置地表地形衛(wèi)星圖Fig.1 Satellite map of surface topography of 20210 working face and observation station

20210 工作面位于2#煤層北部,其西側為20206工作面(已回采結束),東側為20216 工作面。20210工作面呈矩形分布,走向長180 m,傾向長583 m,工作面平均采厚為3.39 m,平均采深為716 m。煤層傾角為5°～10°,為近水平煤層。工作面采用綜采采煤方法開采,全部垮落法管理頂板。20210 綜采工作面鄰近面開采情況及相對位置如圖2 所示。

圖2 20210 綜采工作面鄰近面開采情況及相對位置Fig.2 Mining situation and relative position of 20210 fully mechanized working face and its adjacent working face

1.2 工作面覆巖巖性特征

20210 工作面設計開采煤層屬于2#煤層,黑色,似金屬光澤,以亮煤為主,暗煤次之,半亮型,堅硬,為穩(wěn)定煤層,f=1～2。覆巖巖性及煤層頂?shù)装迩闆r如圖3 所示。

圖3 906 號鉆孔覆巖巖性特征Fig.3 Lithologic characteristics of overlying rock in No.906 borehole

結合906 號鉆孔柱狀,采用覆巖綜合評價系數(shù)計算法,得出的鉆孔覆巖綜合評價系數(shù)(P)值為0.5。根據(jù)上文分析得出的覆巖綜合評價系數(shù)P值,參照“三下”開采規(guī)范中巖性綜合評價系數(shù)P與巖性影響系數(shù)D的對應關系表,該山區(qū)復雜地形下20210工作面上覆巖層巖性影響系數(shù)D為1.64。由此可知:20210 工作面上覆巖層巖性綜合評定為中硬巖層,為后續(xù)概率積分法參數(shù)選取提供了參考。

2 實測網(wǎng)狀觀測站地表移動變形規(guī)律

為對地表移動變形情況進行全過程監(jiān)測,結合工作面采礦條件和地表上方實際地形地貌特點,并根據(jù)“三下”開采規(guī)范,若要準確測量出地表移動變形邊界角量參數(shù),則需獲取工作面上覆地表下沉最大值,該值一般位于主斷面上。由于地表地形復雜,觀測站無法建立在工作面正上方,故而無法直接獲得20210工作面的相關角值參數(shù)。因此,在20206 工作面開采完之后,采空區(qū)6 個月內對地表無影響的情況下,在20210 工作面地表左側地勢平坦能夠設置觀測站處建立了剖面網(wǎng)狀地表移動觀測站。觀測站共布置了4 條測線,沿工作面推進方向從左到右分別為a、b、c、d線,其中d線距離20210 工作面最近,最先受采動影響。每條測線長為200 m,測點10 個,測點間距約20 m。

20210 工作面從2017 年11 月15 日開始進行第一次全面觀測,獲取了觀測點的初始平面坐標和高程坐標。為準確獲取該地表地形下的覆巖移動邊界角量參數(shù),測量組在回采結束一段時間后,于2019 年6月25 日,對20210 工作面進行了采動穩(wěn)定后的一次觀測工作。截至2019 年6 月25 日,工作面回采結束下沉穩(wěn)定后,4 條觀測線分別測量了11 次。根據(jù)工作面測線上各測點下沉值繪制了下沉曲線,如圖4 所示。

圖4 沿工作面推進方向觀測線下沉曲線Fig.4 Subsidence curves of the monitoring lines along the advancing direction of the working face

由圖4 可知:隨著工作面開采,測點下沉值會越來越大,最大下沉點也會隨之前移,網(wǎng)狀觀測站測點下沉曲線符合一般下沉規(guī)律。本研究于2019 年6 月25 日對20210 工作面進行了采動沉陷穩(wěn)定后的最后一次觀測數(shù)據(jù)整理,發(fā)現(xiàn)2018 年11 月24 日—2019年6 月25 日這7 個月的時間,覆巖地表移動變形值基本保持一致,表明20210 工作面采動影響已穩(wěn)定。最后一次觀測時,20210 工作面最大下沉點為D9測點,最大值為473.16 mm。

從圖4(d)可看出,在距停采線位置較遠的測點,地表下沉較小,靠近工作面,下沉曲線變陡。這是由于開采造成大面積垮落,上覆巖層隨著工作面推進位置“隨采隨垮”,繼而影響到地表。上覆巖層這種“隨采隨垮”的特點,使得在工作面開采邊界地表移動變形值會形成一個明顯的分界點,造成下沉曲線較陡。

在圖4(b)沿工作面推進方向b線下沉曲線上可明顯看出,B5～B9點在第7 次觀測之后,下沉值增加明顯,現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)在B7點附近有人為掘土跡象,在7—8 月雨量豐富的情況下,雨水沖刷導致的測點下沉值明顯增加。

3 地表移動變形預計可行性分析

為了更加明確分析20210 工作面地下開采引起的地表移動和變形值和影響范圍,以及地表建筑物受影響程度,有必要進行地表移動和變形計算。本研究采用概率積分法對20210 工作面開采區(qū)域進行地表移動變形預計。該方法是在隨機介質理論的基礎上延伸、簡化、發(fā)展而來的一種基于幾何學的開采沉陷預測方法,它形象運用數(shù)學公式來表達采動影響和傳播,是沉陷模型、預測參數(shù)、算法的綜合體[19-21]。遺傳算法(GA)模擬了自然界生物的選擇和遺傳機制,基本思想是首先產生一組染色體群體,根據(jù)適者生存原則,選擇一些染色體通過復制、雜交和畸變產生新的染色體群體,最適應環(huán)境的染色體種群是通過進化來尋找的。相關研究表明[22]:GA 算法可以精確地推導出概率積分法參數(shù)。

本研究充分融合概率積分法、遺傳算法優(yōu)勢,提出了一種將RTK 實測結果和概率積分法相結合獲得變形沉降的新算法,具體流程如圖5 所示。

圖5 RTK 實測和GA 推導概率積分方法參數(shù)的流程Fig.5 Flowchart of deducing probability integral method parameters by RTK and GA

3.1 預計參數(shù)

依據(jù)“三下”開采規(guī)范,結合經驗取值以及遺傳算法原理,獲得的預計參數(shù)最優(yōu)值見表1。預計所需的幾個參數(shù)分別為下沉系數(shù)q、水平移動系數(shù)b、主要影響角正切tanβ、拐點偏移距s等。

表1 20210 工作面地表移動預計參數(shù)Table 1 Prediction parameters of surface subsidence of 20210 working face

3.2 地表移動變形預計結果及對比驗證

根據(jù)上述確定的預計參數(shù),對20210 工作面回采穩(wěn)定后引起的地表沉陷進行預計,其中三維模型預計下沉等值線如圖6 所示。通過插值分析和實測數(shù)據(jù)來驗證(下沉、傾斜、移動、變形)預計結果的準確性。并通過預計結果、參數(shù)擬合得出工作面開采后引起地表移動變形的相關角量參數(shù)。

圖6 20210 工作面開采后地表下沉等值線Fig.6 Contour of surface subsidence of 20210 working face

通過插值分析、剖面圖分析,對比網(wǎng)狀觀測點的實測值與預計值的誤差,其誤差范圍見表2,三維模型預計的下沉等高線剖面如圖7 所示。

圖7 三維模型預計下沉等高線剖面Fig.7 Profile of predicted subsidence contour of 3D model

由表2 可知:當工作面開采后,預計值和實測值之間的最大下沉值誤差只有7 mm 左右,其余相對誤差很小,證明了利用GA 算法推導概率積分法最優(yōu)參數(shù)具有可行性。

表2 20210 工作面地表觀測點預計最大值和實測最大值Table 2 Estimated and measured maximum values of surface movement and deformation of 20210 working face

4 剖面線擬合及其分析

為計算出20210 工作面各巖移角量參數(shù),需對工作面進行主斷面剖面線狀觀測線擬合及分析。具體思路為:已知遺傳算法與實測相結合的概率積分法參數(shù)最優(yōu)取值,在20210 工作面主斷面擬合出走向、傾向剖面線狀觀測值,進而得出在20210 工作面主斷面上的剖面線狀觀測站的測點位置;由地表移動變形預計結果和實地觀測數(shù)據(jù)的一致性可得出20210 工作面上方剖面線狀觀測線及走向、傾向各觀測點的位置及坐標;根據(jù)走向、傾向觀測線的下沉曲線、傾斜曲線、水平移動及水平變形結果,并依據(jù)各參數(shù)取值要求可計算出巖移角量參數(shù)。

根據(jù)每個時間段各測點的下沉值繪制的曲線如圖8 所示,并對下沉數(shù)據(jù)進行擬合得出如圖9 所示的下沉曲線,即擬合度R2為0.997 63,較接近1,表明擬合程度較高。

圖8 走向、傾向線下沉曲線Fig.8 Subsidence curves of strike and dip lines

圖9 下沉曲線擬合效果Fig.9 Fitting effects of subsidnece curve

由圖8 可知:隨著工作面推進,下沉值越來越大,最大下沉點也隨著前移,地表移動盆地的范圍和移動量均增加;當?shù)搅嘶钴S期后,下沉曲線斜率比較大,下沉劇烈且集中。從圖中可進一步分析出,如果工作面的推進距離達到超充分采動,最大下沉值將趨于一個穩(wěn)定值,在工作面回采結束后,工作面最終開采形成的地表移動盆地的剖面形狀將趨向于一個碗形。

由前述已知網(wǎng)狀測量結果可知,圖8 所示為非充分采動下的走向、傾向下沉曲線。依據(jù)測量值與預計值一致原理,利用Origin 擬合出20210 工作面最大下沉值,結合圖9 所示下沉曲線分析可知,20210 工作面最大下沉值為853 mm。

5 移動盆地邊界角量參數(shù)

5.1 移動角

根據(jù)地表移動角量參數(shù)中的移動角定義,并結合圖7 和圖8,分別求出傾斜、曲率和水平變形的各巖移角量參數(shù)值為傾斜3 mm/m、曲率0.2 mm/m2、水平變形2 mm/m 的點。在上山方向上,根據(jù)水平變形在邊界處為拉伸變形的一般規(guī)律及實測中的水平變形發(fā)展規(guī)律,通過插值得出水平變形為2 mm/m 的位置,經計算該點位置距軌道巷約287.3 m,考慮到采深約716 m,松散層移動角一般取45°;松散層的厚度約10 m,因此計算出的走向移動角約69.0°。

同理,求取上山綜合移動角,以預計數(shù)據(jù)為計算基礎。根據(jù)水平變形在邊界處為拉伸變形的一般規(guī)律及實測中的水平變形發(fā)展規(guī)律,通過插值得出水平變形為2 mm/m 的位置。經計算該點距工作面上山邊界約227.6 m,由工作面近水平開采,采深約716 m,所以,上山綜合移動角約72.4°,松散層移動角為45°,松散層厚度約10 m,根據(jù)移動角定義,計算出的上山移動角約73.1°。

5.2 邊界角

根據(jù)邊界角定義,結合下沉值以及預計等值線圖,采用插值法計算得出邊界點距離軌道巷約432 m,工作面平均采深約716 m,因此,可以計算出走向綜合邊界角約58.9°。如果考慮松散層移動角,按45°計算,松散層厚度取10 m,根據(jù)邊界角定義,可以計算出走向邊界角約59.4°。同理,求取上山綜合邊界角,結合預計下沉等線圖和下沉曲線擬合圖,選出下沉10 mm 的點到上山邊界的距離約267.3 m,上山采深約716 m,故可求得上山綜合邊界角約69.5°。如果考慮松散層移動角,按45°計算,松散層厚度取10 m,根據(jù)邊界角定義,可以計算出上山邊界角約70.3°。

5.3 充分采動角

從預計下沉等值線可知,最大下沉點到工作面開切眼的距離約424 m,平均采深約716 m。根據(jù)地表移動角量參數(shù)中充分采動角的定義,傾向充分采動角取值約59.3°。

6 結語

針對地表復雜的山區(qū)地形特征,以山西山區(qū)某礦20210 工作面為例,提出了“以點求面”方法,依據(jù)遺傳算法(GA)與RTK 實測結果,研究了復雜地形下地表移動盆地邊界角量參數(shù)的取值思路。研究得出地表移動角量參數(shù)為最大下沉值853 mm,走向移動角59.0°,上山移動角73.1°,走向邊界角59.4°,上山邊界角70.3°,充分采動角59.3°,最大下沉角83.6°。