多種因素對地表移動規律的影響分析

何鑫瑞

(山西煤炭進出口集團左云長春興煤業有限公司，山西 大同 037100)

0 引言

3107、3111、3115工作面為相鄰工作面，均位于井下3100采區上山以東，F8，F8-2斷層以南。工作面主采3上煤層，下距3下煤層0～37.24 m，距三灰平均86.69 m，屬較穩定煤層。煤厚0～5.02 m，平均2.47 m。該煤層結構較簡單，含0～3層夾石，夾石巖性為泥巖和粉砂巖。煤層頂板多為泥巖、粉砂巖，少數為炭質泥巖。

3115工作面采寬80 m，工作面走向長度450 m。3111面采寬100 m，工作面走向長度950 m，3115、3111工作面之間留有100 m煤柱。3107工作面采寬80 m，3107工作面走向長度985 m。3111、3107工作面之間留設125 m煤柱，工作面平均采厚3.5 m，平均采深765 m。探討煤炭開采對地表移動規律的影響因素，對于地表環境治理十分必要。

1 開采厚度對地表移動規律的影響

1.1 數值模擬方案及結果

為了使研究結果具有可比性，通過僅改變需要研究的影響因素，其他條件不變。方案設立采厚分別為1 m、3 m、5 m、7 m、9 m的5個模型，各模型采深600 m，采、留寬為120 m，采出率50%，開采3個條帶工作面。各方案邊界條件、巖層參數等其它影響因素均保持一致[1-2]。

1.2 模擬結果分析

模擬結果：通過對上述方案的數值模擬，統計模擬結果見表1。對模擬獲取的各方案最大下沉值、最大水平移動值及下沉系數進行回歸分析[3]。

表1 不同采厚下數值模擬結果

開采厚度對地表移動值的影響：地表最大下沉值與最大水平移動值隨開采厚度的增加呈冪函數關系增大，地表移動情況與全采時類似。對模擬數據的回歸分析，得到采厚不同時的回歸函數[4-5]，即

(1)

式中：Wmax—地表最大下沉量；Umax—最大水平移動值；m—采厚。

開采厚度對下沉系數的影響：下沉系數隨著采厚的增加呈冪函數減少，到達一定程度后，下沉系數變化將十分緩慢。通過對模擬數據進行回歸分析，得到采厚不同時的回歸函數，即

q=0.302 4m-0.613 5

(2)

影響機理分析：采厚影響到地表變形的主要原因是加大了冒落帶和斷裂帶的高度，使覆巖破壞區域增大，傳遞到地表，使地表變形劇烈。大采高條采和全采對地表的變形影響取向基本一致，均是中間位置下沉量最大。在煤層傾角接近水平時，下沉曲線和水平移動曲線關于中心點對稱。

2 松散層厚度對地表移動規律的影響

2.1 數值模擬方案

為了使研究結果具有可比性，僅改變需要研究的影響因素，其他條件不變。設立松散層厚度為200 m、300 m、400 m、500 m、600 m的5種數值模型，各模型設置采深3.0 m，采、留120 m，煤層傾角按水平計算，開采3個條帶工作面。各方案邊界條件、巖層參數等其它影響因素均保持一致[6]。

2.2 模擬結果分析

模擬結果：通過對上述各方案的數值模擬，統計模擬結果見表2。通過對模擬獲取的各方案的最大下沉值、最大水平移動值及下沉系數進行回歸分析。

松散層厚度對地表移動值的影響：松散層厚度與地表最大下沉值、最大水平移動值均呈線性關系，隨著松散層厚度的增大下沉值與水平移動線性減小。通過對模擬數據進行回歸分析，得到松散層厚度不同時地表移動值的回歸函數，即

(3)

式中：h—開采深度。

表2 松散層厚度不同時數值模擬結果

松散層厚度對下沉系數的影響：下沉系數隨松散層厚度的增加呈對數關系增加，即松散層厚度越大，下沉系數越大。通過對模擬數據進行回歸分析，得到松散層厚度不同時下沉系數的回歸函數，即

q=0.038 4ln(n)-0.066 1

(4)

3 彈性模量對地表移動規律的影響

3.1 數值模擬方案

為了使研究結果具有可比性，僅改變需要研究的影響因素，其他條件不變，方案制定如下[7]。

直接頂彈性模量不同：設立直接頂彈性模量為0.5 GPa、1.0 GPa、1.5 GPa、3.0 GPa、4.0 GPa的5個模擬模型，各模型采深600 m，采、留寬120 m，采出率50%，煤厚3.0 m，開采3個條帶工作面。各方案邊界條件、巖層參數等影響因素均保持一致。

基本頂彈性模量不同：設立基本頂彈性模量6 GPa、12 GPa、24 GPa、36 GPa、48 GPa的5個模擬模型，各模型采深為600 m，采、留寬120 m，采出率50%，煤厚3.0 m，開采3個條帶工作面。各方案邊界條件、巖層參數等影響因素均保持一致。

煤層彈性模量不同：設立基本頂彈性模量為0.3 GPa、0.6 GPa、0.9 GPa、1.8 GPa、2.4 GPa的5個模擬模型，各模型采深600 m，采、留寬120 m，采出率50%，煤厚3.0 m，開采3個條帶工作面。各方案邊界條件、巖層參數等影響因素均保持一致。

上覆巖層整體彈性模量不同：設立基本頂彈性模量為6 GPa、12 GPa、24 GPa、36 GPa、48 GPa的5個模擬模型，各模型采深為600 m，采、留寬120 m，采出率50%，煤厚3.0 m，開采3個條帶工作面。各方案邊界條件、巖層參數等其它影響因素均保持一致。

3.2 模擬結果分析

直接頂彈模不同時的影響：通過數值模擬，統計模擬結果見表3。通過對模擬獲取的各方案的最大下沉值、最大水平移動值及下沉系數進行回歸分析得到直接頂彈模不同時的回歸函數。即

(5)

表3 直接頂彈模不同時數值模擬結果

基本頂彈模不同時的影響：通過數值模擬，統計模擬結果見表4。通過對模擬獲取的各方案的最大下沉值、最大水平移動值及下沉系數進行回歸分析。通過對模擬數據進行回歸分析，得到基本頂彈模不同時的回歸函數，即

表4 基本頂彈模不同時數值模擬結果

(6)

煤層彈模不同時的影響：通過數值模擬，統計模擬結果見表5。通過對模擬獲取的各方案的最大下沉值、最大水平移動值及下沉系數進行回歸分析。通過對模擬數據進行回歸分析，得到煤層彈模不同時的回歸函數，即

(7)

上覆巖層整體彈模不同時的影響：通過數值模擬，統計模擬結果見表6。通過對模擬獲取的各方案的最大下沉值、最大水平移動值及下沉系數進行回歸分析。

表6 上覆巖層整體彈模不同時數值模擬結果

通過對模擬數據進行回歸分析，得到上覆巖層整體彈模不同的回歸函數，即

(8)

彈性模量對地表移動的影響規律：①無論改變哪一巖層的彈性模量，地表最大下沉值、最大水平移動及下沉系數都是隨著彈性模量的增大而減小。這是因為彈性模量大的巖層硬度較強，在外力荷載的作用下，支撐作用較強，表現在地表上是移動值的減小；②改變不同層位巖石的彈性模量，對地表的影響系數是不同的。從分析數據可以看出，越接近煤層的巖層(如直接頂)對地表變形情況及下沉系數的影響程度越大，而改變距離開采煤層較遠的巖層，影響程度相對較小。

4 結語

文中對影響煤層開采過程中引起地表運移的影響因素進行分析，包括：煤層采厚、煤層采深、煤層圍巖彈性模量等，建立了數值模型，為分析煤層開采引起地表運移分析提供支撐。但文中采用數值模擬研究是在對地質采礦條件作一定簡化的條件下得出的結論，對其它特殊地質采礦條件下(如急傾斜煤層、斷層、褶曲等)仍需作進一步分析和研究，建立大采深寬條帶開采優化設計理論，指導煤礦生產實踐，從而在保證地面建筑物不損害或少損害的前提下，提高資源采出率和開采效益。