滑動構(gòu)造影響下覆巖反傾區(qū)巖層移動規(guī)律研究

胡永超，陶文朋

（1.鄭州煤電股份有限公司告成煤礦，河南 登封 452477；2.鄭州華轅煤業(yè)有限公司，河南 新鄭 451171）

1 概述

蘆店滑動系統(tǒng)（滑體）由二1 煤之上二疊系、三疊系地層組成，整體構(gòu)造為南北兩翼相背傾斜、頂部開闊平坦的背斜，背斜軸向西傾伏。以朝陽溝河為界，以東地層呈北東走向，傾向北西，傾角8°～32°，與下伏系統(tǒng)地層產(chǎn)狀基本一致。朝陽溝河以西，地層走向近東西，傾向南偏西，地層傾角10°～49°，與下伏地層相對而傾，滑動構(gòu)造剖面見圖1。

告成煤礦正在開采的21采區(qū)正位于滑動構(gòu)造反傾區(qū)域，21采區(qū)東臨-110m 北翼運輸大巷，南接21中央集中下山，西臨23采區(qū)中央集中下山，北臨25 采區(qū)。采區(qū)傾斜長度1007m，走向長度1585m，共布置6個正規(guī)的走向長壁采煤工作面，放頂煤開采工藝回采。21采區(qū)工作面的回采順序是，21021工作面-21041工作面-21031工作面（21011工作面）-21051工作面-21061工作面。

圖1 盧店滑動構(gòu)造剖面

2 滑動構(gòu)造影響下覆巖反傾區(qū)巖層移動數(shù)值模擬

告成煤礦21041工作面下付巷輔助流水立井等巷道揭露的二1 煤層覆巖，經(jīng)技術(shù)人員現(xiàn)場測量，滑動構(gòu)造帶上方覆巖的產(chǎn)狀為走向NE110°，傾向SW10°，覆巖傾角40°，滑動構(gòu)造帶影響下覆巖的產(chǎn)狀與相關(guān)地質(zhì)報告中成果吻合較好。本文以21041 工作面為例，建立計算模型，進(jìn)行巖移規(guī)律分析。

2.1 告成煤礦21采區(qū)開采模型的建立

2.1.1 模型邊界條件

根據(jù)告成煤礦的實際上覆巖層狀況，付120剖面線橫穿21采區(qū)走向中部，屬于典型地質(zhì)地層剖面，據(jù)此建立計算模型，模型傾向長度為1600 m，垂直高度500 m。計算模型的邊界條件如下：

（1）上部邊界條件：由于是直接模擬到地表，不施加任何載荷，只承受重力，但要考慮重力梯度。

（2）下部邊界條件：本模型的下部邊界條件簡化為位移邊界條件，在x方向可以運動，y方向為固定鉸支座，即v=0。

（3）兩側(cè)邊界條件：本模型的兩側(cè)邊界條件均為實體煤巖體，簡化為位移邊界條件，在y方向可以運動，x方向為固定鉸支座，即u=0。

有關(guān)巖層力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖層力學(xué)參數(shù)

2.1.2 模型開挖步驟

（1）建立整體模型。結(jié)合理論與現(xiàn)場實測信息，以相關(guān)地質(zhì)資料為依據(jù)進(jìn)行建模，為貼近實際的反映主采煤層和其上覆巖層賦存情況，以及它們之間的空間位置關(guān)系，并考慮到消除邊界效應(yīng)，在原始模型兩側(cè)各留設(shè)40m 以上的邊界煤柱，建立原始模型（見圖2）。

圖2 告成煤礦21采區(qū)開采模型

（2）按設(shè)定開采方案，開挖二1 煤層21011～21041 四個工作面。根據(jù)現(xiàn)場實際回采工作面順序進(jìn)行開挖。回采工作面順序：首采21021工作面（該工作面全長155m），其次回采21041工作面（該工作面長為150m），最后開采21031，21011工作面作為配采面生產(chǎn)，其工作面長度分別為135m 和110m，連續(xù)開挖模型見圖3。

圖3 告成煤礦21采區(qū)開挖步驟

（3）由于采空區(qū)延伸至模型邊界位置，對模型的開挖模擬有影響，為消除該影響且絕不能干擾工作面走向以及其停采線位置的上覆巖層移動規(guī)律，走向工作面的推進(jìn)長度至少1.4倍埋深，模擬結(jié)合實測數(shù)據(jù)確定工作面的模擬有效長度為700m。

（4）為了保證模型不受邊界條件約束影響，工作面必須遠(yuǎn)離邊界150m 以上，設(shè)模擬工作面邊界距離邊界條件200m，因此，模擬工作面的停采線位于模型900m 的位置開挖。

（5）開挖后應(yīng)力計算平衡。根據(jù)工程實際要求，本開挖按照實際工作面開采順序進(jìn)行，以模擬開采過程中，工作面覆巖變形、移動、垮落規(guī)律。

2.2 覆巖移動及地表變形分析

告成煤礦21采區(qū)各工作面回采過程中，煤體開挖形成采空區(qū)并破壞了巖層中原有的應(yīng)力平衡，工作面上覆巖層受應(yīng)力重分布影響而發(fā)生移動。通過數(shù)值模擬軟件再現(xiàn)21041四個回采工作面采空區(qū)覆巖層移動變形的物理過程。

2.2.1 傾斜方向覆巖及地表變形規(guī)律

告成煤礦21041工作面開采后留下了150 m 的采空區(qū)。在21041工作面回采時，工作面上覆巖層中的應(yīng)力環(huán)境再次發(fā)生改變，此時上覆巖層變形情況見圖4，工作面頂板受上覆巖層的應(yīng)力作用下，頂板滑動構(gòu)造帶全部垮落，顯著離層區(qū)在頂板以上80m 范圍，工作面垮落帶區(qū)、離層裂隙帶范圍較大；同時，工作面上覆巖層中的地應(yīng)力將集中作用于兩側(cè)煤體中，21031工作面內(nèi)的煤體被孤立于采空區(qū)中，處于應(yīng)力集中環(huán)境下。

圖4 21041工作面開采滑動構(gòu)造和反傾覆巖垮落形態(tài)移動

在21041 工作面開采過程中，工作面上覆巖層在21021工作面開采影響基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)生變形沉陷，地表沉陷加劇。由于兩個工作面試跳采，所以下沉曲線中間高，兩邊低（見圖5）。此時，地表大于10 mm 的沉陷范圍為113～984m，最大下沉值接近1990mm，地表傾斜在3 mm／m 范圍在105～976m，地表水平變形2mm／m 范圍在137～744mm。

數(shù)值模擬顯示開采21041工作面回采時，覆巖反傾區(qū)下山邊界角51°，下山移動角為63°，最大下沉角93.2°。

圖5 21041工作面地表移動變形曲線

2.2.2 走向方向覆巖移動及地表變形

隨著21041工作面沿走向回采至停采線位置，采場頂板滑移構(gòu)造帶垮落嚴(yán)重且沿走向的范圍較大；由于煤層頂板由巖石強度較差的滑移構(gòu)造帶組成，在21041工作面原煤開采后，頂板受上覆巖層應(yīng)力作用且自身承載能力相對較弱，導(dǎo)致厚度達(dá)30m 的由滑移構(gòu)造帶構(gòu)成的軟弱頂板幾乎全部垮落；與此同時，停采線實體煤邊界附近位置的煤層和頂板受應(yīng)力集中作用而發(fā)生較為明顯的擠壓破碎，這就擴(kuò)大了滑移構(gòu)造帶的上覆巖層的移動空間，加劇采場的上覆巖層移動范圍，對地表下沉范圍的擴(kuò)大起到了促進(jìn)作用。

圖6 21041工作面走向模型地表移動變形曲線

依據(jù)滑動構(gòu)造影響下覆巖反傾區(qū)的邊界角定義，由圖6可知：走向方向上傾斜3mm／m 點位于距21041工作面停采線468～476 m 之間；水平變形2 mm／m 點位于距21041工作面停采線340m 附近。因此，選擇最外側(cè)的水平變形臨界點來計算走向移動角，21041工作面平均采深H=420m，由此求得走向移動角為：δ=54°，走向方向上地表下沉值大于10mm 的范圍在距離21041工作面停采線444m，由此求得走向邊界角為δ=46°。

3 工作面回采后實測地表巖移情況

21041回采完成，地表移動穩(wěn)定時的下沉曲線見圖7。21041工作面最大下沉點在26＃測點，基本在工作面的中點位置，最大下沉值為2.1 m。工作面上山影響范圍為20＃～26＃測點，工作面下山的影響范圍為26＃～33＃測點，下沉曲線基本對稱。

圖7 21041工作面回采完成后地表下沉曲線

4 結(jié)語

1）通過建立覆巖反傾區(qū)下采煤巖層運動的數(shù)值模型系統(tǒng)研究得知，告成礦21采區(qū)滑動構(gòu)造影響下覆巖反傾區(qū)的開采，由于上覆巖層存在由角礫巖組成的滑動構(gòu)造帶，巖石強度相對較低，工作面回采后頂板滑動構(gòu)造帶全部垮落，冒落帶和裂縫帶的范圍均較大。由于反傾覆巖的存在，覆巖沿著節(jié)理面滑移，傾斜方向上冒落裂縫帶的形態(tài)呈現(xiàn)不對稱的馬鞍形，冒落裂縫帶的頂部偏向反傾覆巖的上山。

2）告成煤礦滑動構(gòu)造影響下覆巖反傾區(qū)開采，地表下沉曲線最大下沉點偏向煤層采空區(qū)上山方向，與常規(guī)地層條件下各種角量參數(shù)相比差別較大，且移動機(jī)理不同。

〔1〕鄭志剛，許建軍，靳蘇平，等.厚黃土區(qū)綜放開采地表動態(tài)沉陷變形規(guī)律研究〔A〕.2011全國礦山測量新技術(shù)學(xué)術(shù)會議論文集〔C〕.2011.

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