不同采高条件下地表变形预测的试验研究

李琛 常贯峰 袁永强 杜铮 赵高明

安徽理工大学矿业工程学院，中国·安徽 淮南 232001

1 引言

煤炭资源是中国的主体能源，社会的发展离不开煤炭资源的大力支持，地下煤层开采过程中，随着工作面的不断向前推进，采场直接顶在重力及其上覆岩层的作用下向下移动、发生弯曲，达到承载力极限后发生断裂，直至垮落，并充填采空区，上覆岩层失去支撑便会向下沉降变形[1-3]。顶板的垮落、覆岩沉降和破坏乃至地表沉陷变形，是一个开挖、应力重分布、变形和破坏的整体全过程；地下开采过程中的采场矿山压力、上覆岩层运动，直至引起地表沉陷变形，它们之间存在着必然的联系，是一个统一体的变化、运动过程[4,5]。

为研究燕家河煤矿北扩区地下矿层开采对地表变形的影响，通过相似模拟试验预测2m、4m两种采高条件下地下煤层开挖引起的地表变形，应用Logistic模型拟合了开采后地表变形特征曲线，分析了不同采高条件下地下煤层开采上覆岩移动规律及地表的变形规律，给出了地表下沉量，从而评估不同采高条件下地下的煤层开采对地表建筑物的影响。

2 开采沉陷相似模拟试验

2.1 地质条件

中国陕西燕家河北扩区8煤为区域内主要可采煤层，位于延安组下含煤段下部，下距延安组底界面1.87～19.66m，平均厚度为10m左右；上距5-2煤层29.34～58.51m，平均47.13m。

2.2 试验方案与制作

试验装置长3m，宽0.3m，高1.6m，四周用钢板进行围护。结合矿区实际情况和模型尺寸，选取几何相似比为Cι为1∶100，容重相似比Cy为0.6，故应力相似比Cσ为0.006，时间相似比Ct为1∶10。位移观测采用拓普康GPT-7500型全站仪和三维静态变形测量系统。

模型构建成功后按照煤岩层倾向及垂直方向布置间隔为5cm的网格线，沿网格线倾向方向，每10cm布置一个位移测点，倾向上的所有测点为一条测线，在网格线垂直方向共布置5～7条测线，如图1所示。

图1 试验模型

3 覆岩结构演变特征

3.1 采高2m时覆岩结构演变规律

模拟开采过程中，工作面推进到30m时，上覆岩层直接顶发生第一次垮落，工作面推工作面推进到160m时，顶板上方100m处发生明显的里层裂隙，工作面推进到200m时，顶板上方125m处产生离层裂隙，垂直方向上覆岩层未发生整体冒落。说明采高为2m的煤层开采过程中，上覆岩层整体发生弯曲下沉，未发生明显的破断冒落现象，岩层之间形成铰接作用，并支撑上覆顶板；随着工作面的推进，采空区内部垮落岩石逐渐被压实，整齐地排列在采空区内，上覆岩层来压均匀，下沉量不大，对地面的影响较小。

3.2 采高4m时覆岩结构演变规律

当工作面推进到30m时，煤层上覆顶板裂隙扩展，当工作面推进40m时，上覆顶板岩层出现初次垮落，当工作面推进60m时，顶板再次垮落，跨落长度为40m左右，顶板上方7m厚的岩石整体破断垮落。工作面推进到200m时，顶板上方145m处产生离层裂隙，垂直方向上覆岩层未发生整体冒落。开采过程中没有发生大范围的整体式连续断裂冒落，垂直方向顶板岩层分层整体发生弯曲下沉，水平方向冒落岩层相互存在铰接连接显现不明显。

4 覆岩位移演变特征

4.1 采高2m时覆岩下沉量演变规律

工作面推进初期，顶板下沉量较小，开采活动对覆岩运动的影响刚刚开始，位移变化比较缓和。工作面开挖至60m时，距煤层顶板2m高度层位处，距离开启眼10～50m之间发生垮落，最大下沉量约为1.7m。距煤层顶板12m高度处，距离开切眼20～50m之间发生垮落，顶板下沉位移最大约为0.6m。距煤层顶板22m高度层位处，距开切眼25～50m范围内发生垮落，下沉量最大为0.3m。而距离煤层顶板较高层位处，没有发生明显垮落，顶板处于弯曲下沉状态。距离煤层顶板12m层位处，由于岩层垮落后具有碎胀性，使上覆岩层不能继续下移，因此小于2m高度层位处的顶板下沉量。距煤层顶板22m高度层位处，距切口眼15～50m之间发生垮落，最大约为0.9m。煤层顶板102m及以上高度处下沉量不大，所在岩层处于弯曲下沉的状态，如图2所示。

4.2 采高4 m时覆岩下沉量演变规律

工作面开挖至60m时，距煤层顶板5m高度层位处，距离开启眼5～50m之间发生垮落，最大下沉量约为2.8m，距煤层顶板25m高度层位处，距开切眼10～30m范围内发生垮落，下沉量最大为0.5m。工作面开挖140m时，距煤层顶板5m高度层位处，距切口眼5～135m之间发生垮落，最大下沉量约3.8m。距离煤层顶板15m层位处，由于岩层垮落后具有碎胀性，使上覆岩层不能继续下移，因此小于5m高度层位处的顶板下沉量。距煤层顶板25m高度层位处，距切口眼10～80m之间发生垮落，最大约为1.5m。距煤层顶板105m及以上高度处下沉量不大，所在岩层处于弯曲下沉的状态，如图2所示。

图2 不同采高条件覆岩结构演变特征

5 地表变形预测与分析

根据Logistic函数拟合后的不同测点位置处的曲线推算出地表下沉量曲线（煤层埋深670 m）如图3所示。

图3 地表下沉量预测曲线

由图3可知，采高为4m时地表下沉量最大，为1.5m左右，地表下沉量最大位置发生在采空区中部靠左的位置，距离开切眼85m左右；采高为2m时地表下沉量最小，为0.2m左右，地表下沉量最大位置发生在采空区中部靠左的位置，距离开切眼105m左右。说明开采后顶板是逐渐下沉的，并逐渐波及地表；最大下沉量位置处，采空区冒落岩层已经基本处于压实状态。

6 结语

第一，2m和4m采高条件下初次来压步距基本相同，约为40m；岩层下沉量随采高的增加而增大，地表影响范围也有增大的趋势，说明采高越大对地表变形的影响越大。

第二，获得了不同采高条件下地表的变形量。4m采高时，地表下沉量最大，为1.5m左右；2m采高时，煤层开采地表下沉量最小，为0.2m左右。

第三，位于充分采动区内的地表变形趋于稳定，而地下煤层开采对地表的影响随时间的变化而变化，因此，在开采过程中应重点对采空区边缘及非充分采动区内的建筑物进行观测与维护，以减小因地下开采引起的破坏。