山区地貌下浅埋煤层工作面开采覆岩运动及地表沉陷规律研究

2021-10-26冯宇峰

中国矿业 2021年10期

陈杰，王沉,2，薛博，冯宇峰

(1.贵州大学矿业学院，贵州贵阳 550025；2.重庆市能源投资集团有限公司，重庆 400060；3.应急管理部信息研究院，北京 100029)

0 引言

贵州省是我国南方煤炭资源丰富的省份，也是浅埋煤层发育的典型地区。近年来，国内学者针对浅埋煤层工作面开采覆岩运动及地表沉陷规律展开了系统研究。当煤层埋深小于150 m，煤层基载比小于1且只拥有一层主关键层结构特征可定量判定为浅埋煤层[1]。曹勇鹏[2]对杜儿坪矿721001综采工作面覆岩运动进行了数值分析与现场监测，来压期间工作面易出现冒顶及煤壁片帮现象。肖家平等[3]通过数值分析了“三软煤层”大采高工作面开采覆岩运动特点，由于开采强度大，直接顶薄，顶板呈分层运动，导致直接顶和基本顶下部垮落充填采空区。王宗林等[4]采用数值计算与相似试验相结合的方法研究了浅埋煤层开采覆岩下沉位移，初次来压期间，基本顶瞬间垮落，下沉位移明显，台阶下沉特征显著。孙光中等[5]运用数值分析与物理模拟方法分析了巨厚煤层工作面覆岩运动及地表移动规律，沿着工作面推进方向，覆岩整体呈现梯形垮落，覆岩跨度不断增加，引起的地表移动范围也不断增大。郑志刚等[6]通过数值分析了厚黄土覆盖区、厚煤层综放开采条件下地表移动变形的特点，采深一定的情况下，地表下沉系数与黄土层厚度成正比关系。赵晓东等[7-8]采用GIS和数值模拟耦合的方法对上覆岩层空间分布和地表移动进行了研究。王瑞[9]采用现场实测等手段对浅埋厚煤层工作面覆岩运动进行了详细研究，采空区的中间测点下沉量大于周边的下沉量，中间下沉速度较快，在整体形式上表现出对称方式。孔令海等[10]应用微震监测系统对浅埋煤层工作面覆岩沉降的最大范围进行了预测，微震事件表现为动态发展特征，微震事件超前工作面200 m左右分布。戴华阳等[11]建立了传播角变动的厚煤层开采预测模型，提出了分层充分与非充分开采条件下下沉系数与煤层开采条件的波兹曼拟合关系式。高光喆[12]对比分析了山区地貌与平原地貌对开采沉陷地表影响的差异，山脊处下沉值大于平地处下沉值，山谷处下沉值小于平地处下沉值。胡琪[13]对平原与山区地貌下的综采工作面开采地表沉陷进行了对比分析，山区地貌下地表移动变形范围更大，移动变形发展更快等特点。徐祝贺等[14]分析了工作面开采后形成的地表沉陷区特征，根据地表沉陷区的移动变形特点将其分三向移动变形区、双向移动变形区及单向移动区。

综上，针对浅埋煤层工作面开采覆岩运动及地表沉陷方面的研究成果比较丰富，但以上研究主要针对冲沟地貌下浅埋煤层工作面开采的情况，研究地区集中在陕西、山西地区，相对较少的涉及了贵州山区地貌特征，浅埋煤层采动作用影响山区地表稳定性，易诱发山体崩塌、滑坡等地质灾害(普洒山体滑坡[15])，对贵州浅埋煤炭资源的开采提出了挑战，因此本文以贵州普洒煤矿11101工作面为背景，对工作面覆岩运动与地表沉陷规律进行研究，研究成果可为类似条件工作面安全开采提供理论借鉴。

1 工程背景

普洒煤矿11101工作面主采M10煤层，设计长度为150 m，平均采高为2.1 m，煤层倾角平均11°，开采深度为50～150 m，为典型的山区地貌浅埋煤层工作面，工作面采用仰斜开采工艺。工作面为老鹰山山脚坡体下缓倾斜状岩层覆盖，顶板为泥岩及粉砂质泥岩，底板为泥质粉砂岩和泥岩，综合柱状如图1所示。

图1 煤岩体综合柱状图Fig.1 Comprehensive histogram of coal and rock mass

2 数值模拟研究

基于UDEC模拟在采矿工程领域的应用，具有能对采矿工程相关理论知识进行数值计算和图像显示，并使其形象化的优点。本文利用UDEC建立数值模型，研究山区地貌下浅埋煤层工作面覆岩运动与地表沉陷规律。

2.1 数值模型建立

以普洒煤矿11101工作面为工程背景，基于现场工程实际概况，建立长为250 m，高为150 m的离散元数值模型，如图2所示，力学参数见表1，节理参数见表2。

图2 数值模型Fig.2 Numerical model

表1 各岩体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass

表2 各岩体节理参数Table 2 Joint parameters of rock mass

2.2 覆岩运动特征

在模型两侧边界处各留有15 m的保护边界煤柱，其作用是去除边界应力对开挖过程中覆岩应力的影响，于左翼保护煤柱旁设计开切眼，开切眼宽度为10 m。模型的左右边界施加水平约束条件，即边界水平方向位移为0；模型的下边界为固定边界。开切眼设计宽度10 m，工作面开挖长度为220 m，每次推进2 m，共计开挖110次，逐次分析。

当工作面推进30 m时，直接顶整体垮落，垮落后基本顶处于悬露状态，上覆岩层未见明显裂隙及位移，如图3(a)所示。当工作面开采到40 m直接顶再一次垮落，基本顶开始弯曲，基本顶上表面产生顺层裂隙，开采空间两侧开始出现穿层裂隙，基本顶上方岩体未受采动干扰。当工作面推进50 m时，基本顶穿层裂隙扩张直至达到岩层屈服极限，基本顶产生破断，破断后充填采空区，破断后最大下沉值为2.42 m，基本顶上表面离层裂隙逐渐增大，上覆岩层悬露面积不断增大，如图3(b)所示。当工作面推进70 m时，基本顶产生周期破断，破断步距约20 m，破断后覆岩形成砌体梁顶板并伴随周期来压，如图3(c)所示。工作面直接顶发生四次周期性垮落，垮落至下方采空区且逐步被压实。基本顶下沉值约为2.12 m，基本顶上覆岩层下表面悬露面积继续增加，离层现象愈发明显。当工作面推进90 m时，发生第二次周期来压现象，上覆岩层开始出现下沉，弯曲下沉带延伸至泥岩层位及粉砂岩层位。覆岩在进一步对垮落岩石进行压实的过程中，破断基本顶两侧岩块逐渐被压实，如图3(d)所示。

图3 工作面局部推进图Fig.3 Local advance graph of panel

工作面推进120 m时，覆岩的弯曲下沉带蔓延至M8煤层上方粉砂岩岩层，采空区垮落岩石在上覆岩层不断弯曲下沉的挤压下变得更密实。工作面推进150 m时，再一次产生周期来压，地表坡体上部及坡角部分产生坑体，可能是由于随着工作面推进，煤层埋深越小，对地表的影响程度越大，此时地表下沉量约为1.27 m，地表下沉模拟图如图4所示。工作面推进至190 m时，地表运动范围不断增加。工作面推进至220 m时，开切眼垂直上部地表出现下沉且地表整体最大下沉值不再变化。分析数值模拟可知，工作面开采至30 m时直接顶垮落，基本顶悬露，随着工作面的推进基本顶下表面悬露面积不断增加，当工作面开采至50 m时，基本顶破断，产生初次来压现象。当工作面开采至70 m，基本顶产生第二次周次破断，之后每隔20 m左右产生一次来压现象，因此周期破断步距约为20 m。

图4 推进150 m时地表下沉模拟图Fig.4 Simulation map of surface subsidencewhen advancing 150 m

2.3 顶板沉降特征

对工作面基本顶下沉值进行采集分析，整理数据后得到工作面推进过程中基本顶下沉曲线图，如图5所示。当工作面推进距离为50 m、110 m、160 m、210 m和220 m的时候，基本顶最大下沉值分别为1.14 m、1.80 m、1.88 m、1.99 m和2.13 m。工作面推进至50 m时基本顶发生第一次破断，说明基本顶初次垮落步距约为50 m，之后每隔20 m产生一次周期破断。且在工作面开采过程中，基本顶最大下沉值为2.13 m。

图5 不同推进位置基本顶下沉曲线Fig.5 Basic roof subsidence curve atdifferent advancing positions

2.4 浅埋煤层开采地表移动

当工作面从开切眼推进至96 m时地表为上部平缓坡体;当工作面推进距离从96 m到160 m时地表为缓倾斜坡体;当工作面推进距离从160 m到220 m时地表为下部平缓坡体，且在推进过程中工作面距离地面越来越近。工作面开采后对测线数据进行提取整理，得到工作面开采50 m、110 m、160 m、210 m、220 m时地表沉降曲线及水平移动曲线图，如图6和图7所示。

图6 不同推进距离地表下沉曲线Fig.6 Surface subsidence curve withdifferent advancing distance

当工作面推进距离为50 m、110 m、160 m和210 m的时候，地表最大下沉值分别为0.02 m、0.44 m、1.30 m、1.38 m，工作面推进220 m时其最大下沉量与210 m时相处无几。由图7可知，不同推进位置下地表下沉曲线呈现U型，地表下沉曲线出现平缓波谷，最大垂直位移量并没有增加，说明当工作面推进至210 m时已达充分采动情况，位移量约为1.38 m，且地表右侧最大下沉量大于左侧最大下沉量，说明地表右侧受工作面采动影响较大，其原因是工作面右侧埋深相比于左侧较小，对地表的影响更直接。推进过程中基本顶最大下沉量与地表最大下沉量存在较大差距，表明工作面开采过程中地表下沉量既受岩石碎胀性的影响，又受岩层空间传递影响。

当工作面推进距离为50 m、110 m、160 m和210 m的时候，地表水平最大移动值分别为0.002 m、0.051 m、0.115 m和0.238 m，工作面推进220 m时其最大移动值与210 m时相差无几。当工作面推进至210 m时，地表水平移动曲线中最大水平移动值并没有增加，说明煤层已经达到且充分采动。由图7可知，负值曲线区域大于正值曲线区域，工作面在推进的过程当中与地表的垂直距离在不断缩小，地表受采动影响逐渐增大，地表沉陷愈发剧烈，水平移动较大，也就形成了水平移动曲线负值区域大于正值区域的点。

图7 不同推进距离地表水平移动曲线Fig.7 Surface subsidence curve at different advancing distance

3 相似模拟研究

3.1 相似模型的建立

本次试验的模型材料为河沙、石灰和石膏，相似模拟中几何相似比为1∶100，按照相似理论的要求，计算得出各个分层中各种材料的重量，之后添加水和缓凝剂进行配比铺设。模型铺设如图8所示，各层所需材料值见表3。

图8 工作面相似模拟原始模型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 覆岩运动特征

实验开始前先进行设备的调试及贴标志点等准备工作，标志点沿着地表从左侧依次铺向右侧，共计31个，作为地表下沉与地表移动的监测点。为方便研究与计算，模型开挖后描述采用实际情况描述。开切眼距离左侧边界15 m，开切眼宽度为10 m，工作面每次开挖3 cm，开挖73次，最后一次开挖1 m，共计开挖长度为220 cm。工作面推进的过程中，直接顶粉砂质泥岩下部开始呈悬露状态，覆岩尚未破坏，顶板呈现典型悬臂梁结构，顶板上表面与基本顶接触层理出现层间裂隙。

工作面推进30 m，直接顶自支架后方与开切眼上部位置产生整体切落下沉，下沉后基本顶处于悬露状态。下沉后破断岩块长度约为25 m，垮落岩块整体较大，未完全破碎，岩层上部未见裂隙发育，如图9(a)所示。工作面开挖48 m，基本顶悬臂梁在自身重量及覆岩应力的共同作用下达到极限值产生破坏。在采空区中部悬露面积最大区域发生拉断破坏，之后在切眼上部位置与煤壁斜上方两侧，在剪切应力的影响下基本顶层位受剪切破坏的作用从而整体断裂，致使工作面发生初次来压现象。基本顶上方在未达到岩层强度极限，上部出现离层裂隙，裂隙发育长度5.3 m，位于采空区中部上方。基本顶垮落后空间高度为1.42 m，破断堆积采空区岩块长度为43 m，如图9(b)所示。随着工作面向前推进，基本顶上部离层裂隙逐渐扩张发育，开始弯曲。当工作面推进72 m时，采空区后方基本顶控顶距达到极限，基本顶破断再次发生，即工作面周期来压。其岩块破断垮落形态与初次垮落形态一致，来压步距长度约为22 m。基本顶岩块破断后呈不规则岩块散落填充采空区，且下落时沿煤层倾向向下山角方向移动部分距离。上覆岩层发育出水平延伸裂隙且由下沉弯曲趋势，无显著纵向扩展裂隙，离层厚度约为0.3 m，如图9(c)所示。工作面继续向前推进，推进92 m时，上方基本顶在自重应力和覆岩应力的共同作用下发生第二次周期破断，其破断块体长度约为20 m，随着基本顶的不断断裂，覆岩开始出现较大的弯曲，覆岩横向裂隙扩张较明显，横向裂隙延伸至粉砂岩岩层中，覆岩未发生明显位移。靠近地表覆岩出现部分微小纵向裂隙，并向下方拓展延伸，如图9(d)所示。

图9 工作面推进局部图Fig.9 Panel advancing part graph

3.3 地表位移变化规律分析

对相似模拟模型地表进行数据采集，绘制11101工作面推进距离分别为50 m、110 m，160 m、210 m、220 m时模型地表下沉曲线变化图，分析山区地貌下浅埋煤层开采对地表移动的影响，地表下沉图如图10所示。

图10 地表动态下沉曲线图Fig.10 Dynamic surface subsidence curve

开采初期工作面推进至50 m时，地表下沉较平缓，当工作面开采至110 m时，最大下沉为0.47 m；随着工作面继续推进，地表下沉量逐渐增加，距初始位置160 m时，地表的最大下沉量可达1.31 m，推进至210 m时，最大下沉值为1.41 m；当工作面推进完成时最大下沉量与推进210 m时一样为1.41 m，说明当工作面推进至210 m时已达充分采动情况。对工作面不同距离推进时地表下沉最大值进行记录，见表4。对观测点水平移动值进行计算，整理数据绘图得到地表水平移动曲线图，如图11所示。

图11 地表水平移动曲线图Fig.11 Surface horizontal movement curve

表4 不同推进距离地表最大下沉值Table 4 Maximum surface subsidence atdifferent advancing distances

随工作面推移距离增加，水平移动值增大，水平移动测点数据服从正弦函数，且零点与极值点随距离推移呈现出震荡增加的趋势。表5为不同推进位置地表最大水平移动值。当工作面推进220 m时，地表水平移动值最大为0.26 m。工作面推进的过程中，从曲线中可以看出水平移动值为0的点的移动在不断扩张，说明工作面已经达到了充分采动，证明了水平移动值变化规律符合充分采动条件。