王比比 譚 毅, 孫 琦 楊偉強(qiáng) 趙高博 徐飛亞

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

研究覆巖地表移動(dòng)變形規(guī)律是評(píng)價(jià)采動(dòng)損害程 度、確定采動(dòng)影響范圍及制定控制措施的基礎(chǔ)。因此,礦山開采導(dǎo)致的地表移動(dòng)變形規(guī)律是國(guó)內(nèi)外煤礦開采損害與保護(hù)領(lǐng)域的重要研究方向之一[1]。目前,關(guān)于開采引起的覆巖與地表移動(dòng)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(chǎng)監(jiān)測(cè)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(dòng)規(guī)律;張廣學(xué)等[6]基于鄂爾多斯地區(qū)營(yíng)盤壕煤礦淺埋深厚煤層特點(diǎn),建立地表移動(dòng)觀測(cè)站進(jìn)行實(shí)測(cè),并分析了該地質(zhì)采礦條件下地表下沉速度的變化特征;劉文崗等[7]對(duì)大采高近淺埋煤層綜采面覆巖運(yùn)動(dòng)和地表移動(dòng)變形規(guī)律進(jìn)行了實(shí)證研究;戴華陽(yáng)[8]較為全面地闡述了覆巖與地表移動(dòng)變形量的時(shí)空關(guān)系,給出了各移動(dòng)變形量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。概率積分法也是研究地表移動(dòng)變形規(guī)律的一種重要手段,已通過大量工程實(shí)踐證實(shí)[9-11]。郭文兵[12]通過改進(jìn)計(jì)算參數(shù)的預(yù)計(jì)方法,采用全采多工作面疊加預(yù)計(jì)方法,準(zhǔn)確地進(jìn)行了深部條帶開采地表移動(dòng)和變形預(yù)計(jì);余學(xué)義等[13]以陳家溝煤礦為例,對(duì)大采深綜放開采方面的概率積分法進(jìn)行了應(yīng)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(jìn)概率積分法,對(duì)山區(qū)煤礦開采進(jìn)行了地表沉陷移動(dòng)變形預(yù)測(cè);趙博等[15]針對(duì)山區(qū)急傾斜煤層開發(fā)出了基于MATLAB 的開采沉陷預(yù)計(jì)系統(tǒng)并進(jìn)行了驗(yàn)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(duì)概率積分法在采空區(qū)邊緣預(yù)計(jì)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(zhǎng)的果蠅算法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行了反演,結(jié)合反演得到的概率積分法修正模型參數(shù)計(jì)算了各觀測(cè)點(diǎn)的擬合值,并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證,對(duì)研究特定工作面開采上方地表的移動(dòng)變形規(guī)律具有積極作用。相關(guān)研究表明:概率積分法得到的數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)值有很好的契合度,可用于指導(dǎo)地表移動(dòng)變形規(guī)律的研究。但不少礦區(qū)由于工作面地表情況復(fù)雜,因而無法建立常規(guī)巖移觀測(cè)站獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)該類情形下的地表移動(dòng)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(fù)雜地表地形為工程背景建立地表移動(dòng)網(wǎng)狀觀測(cè)站,依據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》(2017)[18](以下簡(jiǎn)稱“三下”開采規(guī)范),結(jié)合概率積分法,對(duì)地表移動(dòng)變形規(guī)律及巖層角量參數(shù)進(jìn)行研究。研究成果對(duì)于該礦區(qū)的保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)以及“三下”開采方案和網(wǎng)狀觀測(cè)站設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 工作面概況

研究區(qū)位于祁呂賀蘭山字型構(gòu)造前弧東翼內(nèi)側(cè),區(qū)域地質(zhì)應(yīng)力方向大致為NW—SE 向的擠壓。地形復(fù)雜,切割強(qiáng)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(fù)雜,工作面上方存在洗煤廠、水文鉆孔及附近存在國(guó)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(cè)站(圖1),隨著采礦生產(chǎn)的進(jìn)行,對(duì)地面的影響范圍也會(huì)日趨擴(kuò)大,有必要針對(duì)性地研究開采引起的巖層和地表移動(dòng)規(guī)律。

圖1 20210 工作面及觀測(cè)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(cè)為20206工作面(已回采結(jié)束),東側(cè)為20216 工作面。20210工作面呈矩形分布,走向長(zhǎng)180 m,傾向長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(shè)計(jì)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(jiān)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(hào)鉆孔覆巖巖性特征Fig.3 Lithologic characteristics of overlying rock in No.906 borehole

結(jié)合906 號(hào)鉆孔柱狀,采用覆巖綜合評(píng)價(jià)系數(shù)計(jì)算法,得出的鉆孔覆巖綜合評(píng)價(jià)系數(shù)(P)值為0.5。根據(jù)上文分析得出的覆巖綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P值,參照“三下”開采規(guī)范中巖性綜合評(píng)價(jià)系數(shù)P與巖性影響系數(shù)D的對(duì)應(yīng)關(guān)系表,該山區(qū)復(fù)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(píng)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(shí)測(cè)網(wǎng)狀觀測(cè)站地表移動(dòng)變形規(guī)律

為對(duì)地表移動(dòng)變形情況進(jìn)行全過程監(jiān)測(cè),結(jié)合工作面采礦條件和地表上方實(shí)際地形地貌特點(diǎn),并根據(jù)“三下”開采規(guī)范,若要準(zhǔn)確測(cè)量出地表移動(dòng)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(fù)雜,觀測(cè)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(guān)角值參數(shù)。因此,在20206 工作面開采完之后,采空區(qū)6 個(gè)月內(nèi)對(duì)地表無影響的情況下,在20210 工作面地表左側(cè)地勢(shì)平坦能夠設(shè)置觀測(cè)站處建立了剖面網(wǎng)狀地表移動(dòng)觀測(cè)站。觀測(cè)站共布置了4 條測(cè)線,沿工作面推進(jìn)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(dòng)影響。每條測(cè)線長(zhǎng)為200 m,測(cè)點(diǎn)10 個(gè),測(cè)點(diǎn)間距約20 m。

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

圖4 沿工作面推進(jìn)方向觀測(cè)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(cè)點(diǎn)下沉值會(huì)越來越大,最大下沉點(diǎn)也會(huì)隨之前移,網(wǎng)狀觀測(cè)站測(cè)點(diǎn)下沉曲線符合一般下沉規(guī)律。本研究于2019 年6 月25 日對(duì)20210 工作面進(jìn)行了采動(dòng)沉陷穩(wěn)定后的最后一次觀測(cè)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(gè)月的時(shí)間,覆巖地表移動(dòng)變形值基本保持一致,表明20210 工作面采動(dòng)影響已穩(wěn)定。最后一次觀測(cè)時(shí),20210 工作面最大下沉點(diǎn)為D9測(cè)點(diǎn),最大值為473.16 mm。

從圖4(d)可看出,在距停采線位置較遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn),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(jìn)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(diǎn),使得在工作面開采邊界地表移動(dòng)變形值會(huì)形成一個(gè)明顯的分界點(diǎn),造成下沉曲線較陡。

在圖4(b)沿工作面推進(jìn)方向b線下沉曲線上可明顯看出,B5～B9點(diǎn)在第7 次觀測(cè)之后,下沉值增加明顯,現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)在B7點(diǎn)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(dǎo)致的測(cè)點(diǎn)下沉值明顯增加。

3 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)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(dòng)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(jìn)行地表移動(dòng)和變形計(jì)算。本研究采用概率積分法對(duì)20210 工作面開采區(qū)域進(jìn)行地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)。該方法是在隨機(jī)介質(zhì)理論的基礎(chǔ)上延伸、簡(jiǎn)化、發(fā)展而來的一種基于幾何學(xué)的開采沉陷預(yù)測(cè)方法,它形象運(yùn)用數(shù)學(xué)公式來表達(dá)采動(dòng)影響和傳播,是沉陷模型、預(yù)測(cè)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(jī)制,基本思想是首先產(chǎn)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(fù)制、雜交和畸變產(chǎn)生新的染色體群體,最適應(yīng)環(huán)境的染色體種群是通過進(jìn)化來尋找的。相關(guān)研究表明[22]:GA 算法可以精確地推導(dǎo)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(shì),提出了一種將RTK 實(shí)測(cè)結(jié)果和概率積分法相結(jié)合獲得變形沉降的新算法,具體流程如圖5 所示。

圖5 RTK 實(shí)測(cè)和GA 推導(dǎo)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(yù)計(jì)參數(shù)

依據(jù)“三下”開采規(guī)范,結(jié)合經(jīng)驗(yàn)取值以及遺傳算法原理,獲得的預(yù)計(jì)參數(shù)最優(yōu)值見表1。預(yù)計(jì)所需的幾個(gè)參數(shù)分別為下沉系數(shù)q、水平移動(dòng)系數(shù)b、主要影響角正切tanβ、拐點(diǎn)偏移距s等。

表1 20210 工作面地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)Table 1 Prediction parameters of surface subsidence of 20210 working face

3.2 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)結(jié)果及對(duì)比驗(yàn)證

根據(jù)上述確定的預(yù)計(jì)參數(shù),對(duì)20210 工作面回采穩(wěn)定后引起的地表沉陷進(jìn)行預(yù)計(jì),其中三維模型預(yù)計(jì)下沉等值線如圖6 所示。通過插值分析和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證(下沉、傾斜、移動(dòng)、變形)預(yù)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性。并通過預(yù)計(jì)結(jié)果、參數(shù)擬合得出工作面開采后引起地表移動(dòng)變形的相關(guān)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(duì)比網(wǎng)狀觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與預(yù)計(jì)值的誤差,其誤差范圍見表2,三維模型預(yù)計(jì)的下沉等高線剖面如圖7 所示。

圖7 三維模型預(yù)計(jì)下沉等高線剖面Fig.7 Profile of predicted subsidence contour of 3D model

由表2 可知:當(dāng)工作面開采后,預(yù)計(jì)值和實(shí)測(cè)值之間的最大下沉值誤差只有7 mm 左右,其余相對(duì)誤差很小,證明了利用GA 算法推導(dǎo)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(cè)點(diǎn)預(yù)計(jì)最大值和實(shí)測(cè)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(jì)算出20210 工作面各巖移角量參數(shù),需對(duì)工作面進(jìn)行主斷面剖面線狀觀測(cè)線擬合及分析。具體思路為:已知遺傳算法與實(shí)測(cè)相結(jié)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(cè)值,進(jìn)而得出在20210 工作面主斷面上的剖面線狀觀測(cè)站的測(cè)點(diǎn)位置;由地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)結(jié)果和實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)的一致性可得出20210 工作面上方剖面線狀觀測(cè)線及走向、傾向各觀測(cè)點(diǎn)的位置及坐標(biāo);根據(jù)走向、傾向觀測(cè)線的下沉曲線、傾斜曲線、水平移動(dòng)及水平變形結(jié)果,并依據(jù)各參數(shù)取值要求可計(jì)算出巖移角量參數(shù)。

根據(jù)每個(gè)時(shí)間段各測(cè)點(diǎn)的下沉值繪制的曲線如圖8 所示,并對(duì)下沉數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn),下沉值越來越大,最大下沉點(diǎn)也隨著前移,地表移動(dòng)盆地的范圍和移動(dòng)量均增加;當(dāng)?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(jìn)一步分析出,如果工作面的推進(jìn)距離達(dá)到超充分采動(dòng),最大下沉值將趨于一個(gè)穩(wěn)定值,在工作面回采結(jié)束后,工作面最終開采形成的地表移動(dòng)盆地的剖面形狀將趨向于一個(gè)碗形。

由前述已知網(wǎng)狀測(cè)量結(jié)果可知,圖8 所示為非充分采動(dòng)下的走向、傾向下沉曲線。依據(jù)測(cè)量值與預(yù)計(jì)值一致原理,利用Origin 擬合出20210 工作面最大下沉值,結(jié)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(dòng)盆地邊界角量參數(shù)

5.1 移動(dòng)角

根據(jù)地表移動(dòng)角量參數(shù)中的移動(dòng)角定義,并結(jié)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(diǎn)。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(shí)測(cè)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(jīng)計(jì)算該點(diǎn)位置距軌道巷約287.3 m,考慮到采深約716 m,松散層移動(dòng)角一般取45°;松散層的厚度約10 m,因此計(jì)算出的走向移動(dòng)角約69.0°。

同理,求取上山綜合移動(dòng)角,以預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)為計(jì)算基礎(chǔ)。根據(jù)水平變形在邊界處為拉伸變形的一般規(guī)律及實(shí)測(cè)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(jīng)計(jì)算該點(diǎn)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(dòng)角約72.4°,松散層移動(dòng)角為45°,松散層厚度約10 m,根據(jù)移動(dòng)角定義,計(jì)算出的上山移動(dòng)角約73.1°。

5.2 邊界角

根據(jù)邊界角定義,結(jié)合下沉值以及預(yù)計(jì)等值線圖,采用插值法計(jì)算得出邊界點(diǎn)距離軌道巷約432 m,工作面平均采深約716 m,因此,可以計(jì)算出走向綜合邊界角約58.9°。如果考慮松散層移動(dòng)角,按45°計(jì)算,松散層厚度取10 m,根據(jù)邊界角定義,可以計(jì)算出走向邊界角約59.4°。同理,求取上山綜合邊界角,結(jié)合預(yù)計(jì)下沉等線圖和下沉曲線擬合圖,選出下沉10 mm 的點(diǎn)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(dòng)角,按45°計(jì)算,松散層厚度取10 m,根據(jù)邊界角定義,可以計(jì)算出上山邊界角約70.3°。

5.3 充分采動(dòng)角

從預(yù)計(jì)下沉等值線可知,最大下沉點(diǎn)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(dòng)角量參數(shù)中充分采動(dòng)角的定義,傾向充分采動(dòng)角取值約59.3°。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)地表復(fù)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(diǎn)求面”方法,依據(jù)遺傳算法(GA)與RTK 實(shí)測(cè)結(jié)果,研究了復(fù)雜地形下地表移動(dòng)盆地邊界角量參數(shù)的取值思路。研究得出地表移動(dòng)角量參數(shù)為最大下沉值853 mm,走向移動(dòng)角59.0°,上山移動(dòng)角73.1°,走向邊界角59.4°,上山邊界角70.3°,充分采動(dòng)角59.3°,最大下沉角83.6°。