多层采空区下特厚煤层开采沉陷特征研究*

王顺利，杨亚威，杨永康

(1.中煤大同能源有限责任公司,山西 大同 037000；2.太原理工大学 采矿工艺研究所，太原 030024)

工作面开采沉陷可能导致地表出现更多裂缝,造成气体下泄、洪水倒灌等,会对矿井安全生产带来隐患,是个永恒的难题[1-4]。国内外学者已做了大量的相关研究工作,如何万龙、胡海峰、康志荣等,初步认为沉陷可分为沉陷裂缝区和缓慢沉陷区两类,并用概率积分法进行了验证[5]。因此,通过对工作面开采沉陷的观测,探究特厚煤层多工作面采空空间叠加影响情况下的地表移动变形,可为安全生产提供现实的指导[6-7]。

本文通过分析30509工作面开采沉陷地表特征、地质资料、工作面推进情况及地表构造情况,认为影响上覆多层采空区特厚煤层开采沉陷地表特征的主要因素有回采充分程度、工作面布置空间关系、构造和上覆岩层岩性等因素[8]。

1 工程概况

中煤塔山煤矿位于大同煤田中东缘,井田呈不规则多边形,东西宽约3.74 km,南北长约3.77 km,面积8.146 km2,批采石炭系太原组所有煤层,主要有2#、5(3-5)#、6#、7#、8#和9#煤,批采标高1 200 m～880 m。矿井四邻情况及小煤矿分布情况置见图1。

图1 矿井四邻及小煤矿分布情况图Fig.1 Distribution of neighborhoods and small coal mines

3-5#煤煤层平均厚度为15.56 m,采用放顶煤工艺进行开采,煤层上覆岩层具有典型的大同矿区地质特征:顶板坚硬,覆岩坚硬。目前石炭二叠纪2#煤层已采完,2#煤层工作面采空区层间距平均为4.25 m～5.89 m,平均5.04 m。2#煤层之上235 m～275 m为四老沟矿开采的侏罗系大同组14#煤层采空区;再向上32 m～37 m为侏罗系大同组11#煤层采空区(1949年前旧采空区)。

2 多煤层开采地表移动变形影响分析

2.1 上组煤层开采的覆岩移动分析

各工作面回采后的煤柱塑性分布图见图2。

图2 各工作面回采后的煤柱塑性分布图Fig.2 Plastic zone distribution of coal pillars after mining

由煤柱的垂直应力云图可知,煤柱依然处于承载状态,下组3-5#煤层开采必然引起煤柱屈服破坏,进而引起下组煤开采强矿压与地表的不均匀沉降。

2.2 下组煤层回采的覆岩运动规律分析

2.2.1工程地质模型

建立工程地质模型见图3。

2.2.2垂向应力场的分布

2#煤层10205、10207和10209工作面开挖后,其垂向应力场分布云图见图4。

图3 工程地质模型Fig.3 Engineering geological model

图4 2#煤层工作面开挖初始平衡后垂向应力场分布云图Fig.4 Vertical stress field distribution nephogram after the initial balance in the excavation of No.2 coal seam face

2.2.330509工作面位移特征分析

图5为30509工作面开采后应力分布图,图6为30509工作面开采后变形分布图。由图5、图6可知30509工作面回采后覆岩应力场和地表位移场分布情况,可以看出,在不考虑地质构造的情况下,地表移动大小与地表地形地貌有较大关系,埋深浅的位置,地表下沉量更大,埋深深的位置所对应的地表沉降值更小。

图5 30509工作面开采后应力分布Fig.5 Stress distribution nephogram after the mining of No.30509 working face

图6 30509工作面开采后变形分布Fig.6 Deformation distribution nephogram after the mining of No.30509 working

3 30509工作面地表沉陷监测与变形分析

3.1 地表移动与变形预计系统

地表移动与变形预计系统是根据概率积分法的原理和公式开发的。该软件用于单个工作面或多个工作面叠加的地表移动与变形预计,可以预计区域中任意点(或任意一条测线)的移动变形值。利用地表移动与变形预计结果可进一步使用绘图软件绘制出相应的移动变形图,以便用来分析开采沉陷规律。启动预计软件,将进入系统主界面,系统主界面见图7和图8。

图7 系统界面Fig.7 System interface

图8 系统主界面Fig.8 Main system

输入工作面角点坐标后,依次输入开采区域的各项参数,见图9。

图9 参数界面Fig.9 Parameter interface

经过若干项计算,若进行区域移动变形预计,则点击计算并显示按钮,计算过程结束时数据文件会显示在如图10所示的文本框中,如果精度较高并且模型较大,则需要请用户耐心等待一段时间才会显示。同时区域移动变形预计中会显示下沉、倾向和走向的水平移动、曲率、倾斜、水平变形的最大值,如图11所示。

图10 区域移动变形预计生成数据文件示意图Fig.10 Illustration of expected data files generated by regional movement deformation

图11 区域移动变形预计生成最值示意图Fig.11 Illustration of expected maximum values generated by regional movement deformation

3.2 地表裂缝特征分析

3.2.1开采裂缝成因

由开采沉陷引起的地表裂缝特征主要受两大因素的影响:地质条件和开采条件。地质条件主要有覆岩岩性的软硬度、互层特征、覆盖表土层的性质、地形微地貌等;开采技术主要有开采方法、深厚比、煤层倾角、采空区的尺寸、工作面的推进速度等。

3.2.2开采充分性指标

衡量开采充分性的指标为以下两项之和,第一项开采充分性指标(KLi)计算公式如下:

KLi=L/Hj.

(1)

式中:L为工作面的开采宽度,m;Hj为上覆基岩厚度,m。

第二项为考虑松散层的开采充分性指标,而30509工作面上覆岩层中松散层厚度较小,因此,可以不必考虑这项的影响。

从大量观测资料的统计分析中总结出不同岩性基岩的充分开采临界值大致为:坚硬2.2、中硬1.4、软岩1.0。根据公式(1)计算可得中煤塔山煤矿30509工作面走向方向和倾向方向的充分性指标分别为3.775和0.4。综合两项指标,即在走向方向上为充分开采,倾向方向上为非充分采动。

综上所述,在工作面顺槽附近的地表裂缝发育要比停采线附近明显,究其原因主要是工作面走向方向已经达到充分采动,而工作面倾向方向开采尺寸较小并没有达到充分采动,工作面上方沉陷区域内存在倾斜滑坡,地表出现比较明显的台阶下沉也与地表斜坡有很大关系。

3.3 地表移动变形实测数据的整理与分析

3.3.1走向观测线地表移动变形分析

煤层开采过程中,沿走向观测线的地表下沉曲线见图12。

图12 走向观测线地表下沉曲线Fig.12 Surface subsidence curves of trend observation line

由图12可知观测线上的地表最大下沉值为5 512 mm,煤层等效厚度为15.56 m,该地质采矿条件下的地表下沉率为0.354。工作面推进过程中,会引起某些观测点高程上升,产生这种现象的原因主要有三个:

1)测区地形地质的影响。矿区松散层比较薄，平均厚度为10 m,部分地区基岩直接裸露于地表,而且有些测点位于山坡上。

2)上覆侏罗纪煤层的顶底板都是坚硬岩层,在塌陷的过程当中可能是以梁的形式一端下沉一端翘起。

3)地表还未达到稳定。通过分析观测结果,可以得出该地质采矿条件下的超前影响距一般超前工作面16 m左右。

3.3.2倾向观测线地表移动变形分析

图13为2018年5月5日观测的沿倾向观测线的地表下沉曲线,由图13可知,倾向观测线A线上地表最大点为A22号点,下沉值为1 514 mm,最大下沉值位于工作面中轴线位置。

图13 地表下沉曲线Fig.13 Surface subsidence curves

3.3.330509工作面开采现场实测数据分析结果

1)地表移动变形最大值。在该地质采矿条件下,30509工作面上方观测线上地表移动变形的最大值如表1所示,走向观测线上最大下沉点位于Z22点,其下沉值为5 512 mm。

表1 30509工作面观测线地表移动变形最大值Table 1 Maximum value of surface movement deformation of observation line on No.30509 working face

注:倾斜的正负号的规定如下,在倾斜断面上,指向上山方向的为正,指向下山方向的为负,在走向断面上,指向右方向的为正,逆向走向方向的为负;曲率有正负之分,地表下沉曲线上凸为正,下凹为负;水平移动正负号的规定为在倾斜断面上,指向煤层上山方向的为正值,指向煤层下山方向的为负值,在走向断面上,指向右方向的移动为正,左方向的移动为负。

2)地表移动参数。通过对实测数据的整理分析，通过可得该地质采矿条件下地表下沉盆地的角量参数，如表2所示;通过采用概率积分法对实测数据进行拟合,可得该地质采矿条件下地表移动变形概率积分法的预计参数,如表3所示。

表2 地表下沉盆地角量参数Table 2 Angular parameters of surface subsidence basin

表3 概率积分参数Table 3 Probability integral parameters

4 结论

1)通过实地调研和整理分析实测数据,获得了中煤塔山煤矿多层采空区下特厚煤层开采沉陷移动变形规律;通过实地调研和整理分析实测数据,获得了中煤塔山煤矿特厚煤层开采地表裂缝、台阶下沉的发育规律以及地表下沉盆地的部分角量参数,例如:上山边界角γ0=63°,上山移动角γ=69°,上山裂缝角γ″=79°。

2)得出了30509工作面采矿条件下的概率积分法预计参数,即下沉系数为0.354,水平移动系数为0.515,主要影响角正切值为1.739。

3)以NET2005为开发平台,采用C#语言对预计模型进行了开发实现,开发了开采沉陷数据处理一体化系统。