厚松散層大采高開采地表移動變形規律研究

余學義，穆 馳，3，張冬冬，3

（1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安710054；2.西部礦井開采及災害防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；3.陜西省土地工程建設集團，陜西 西安 710054）

在我國能源體系結構中，煤炭依然處于主導地位，“十三五”時期是我國全面建設小康社會的決勝階段，同時也是煤炭工業加快轉型發展的重要時期，加快煤炭供給側改革，是實現由大到強歷史跨越的重要轉變。由于礦產資源開采，工作面上覆巖層的圍巖應力進行重新分布。在這個過程中，巖層的不連續破壞引起地表的移動變形，對地表的鐵路、公路及其他建（構）筑物造成破壞，同時引起地裂縫、滑坡等地質災害。特別是在我國華東、華中、西北等礦區的厚松散層，當工作面煤層采出后，地表移動變形具有一定特殊規律，主要表現為地表下沉系數較大，基巖移動角比常規值偏小，地表水平移動范圍大于下沉范圍等特點[1-5]。介紹了上灣礦12401工作面在厚松散層大采高工程地質條件下地表移動變形規律研究。

1 礦區概況及觀測站概況

1.1 工作面開采條件

上灣礦12401 工作面地表平均標高為1 190 m，上覆松散層平均厚度62 m，為厚松散層，開采煤層為宜君組下巖段中部12 煤，煤質瀝青光澤，呈條帶結構，工作面煤層平均傾角4°，為近水平煤層；隨著工作面持續推進，局部煤層厚度變化不均；煤層直接頂為含云母碎屑的粉砂巖，呈灰白色，巖層水平節理較為明顯，厚度 7.5～9.3 m，平均厚度 8.4 m，直接頂上部為泥質膠結的細粒砂巖，巖層結構穩定；底板為深灰色的砂質泥巖，且層理發育不明顯，厚度3.6～6.2 m，平均厚度 4.9 m。12401 工作面設計走向長度約 1 060 m，12 煤層厚度 4.2～9.6 m，平均厚度6.9 m，煤層堅固系數 0.6，采用綜采放頂煤和一次采全高適應煤層厚度變化，煤層綜合柱狀圖如圖1。

圖1 工作面煤層綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of coal seam in working face

1.2 觀測站布設

地表移動觀測站布設形式分為網狀布設和剖面布設，工作面移動觀測站概況見表1。結合上灣礦12401 工作面實際情況，觀測站選用剖面布設，傾向觀測線B 平行于工作面布設，距離12401 工作面213.1 m，走向觀測線A 靠近12401 工作面上山邊界，垂直于傾向觀測線B 進行布設，距離運輸平巷102.7 m，在走向觀測線南段共布置3 個控制點，點號分別為KA1～KA3，沿著走向觀測線布設35 個觀測點，點號分別為ZA1～ZA35。垂直于走向觀測線布設1 條傾向觀測線，傾向觀測線B 全長1 180 m，距離停采線233 m，在傾向觀測線兩側共布設5 個控制點，點號分別為KB1～KB5，沿著傾向觀測線布設55 個觀測點，點號為ZB1～ZB55[6-8]。測點布設間距為5 m，觀測點位置布設平面圖如圖2。

表1 工作面地表移動觀測站概況Table 1 Overview of surface mobile observation stations

圖2 地表觀測站平面布設圖Fig.2 Plane layout of surface observation station

2 觀測結果分析

2018—2019 年對上灣礦12401 工作面進行了巖移觀測，但由于該工作面采動影響較大，條件比較復雜。因此，此次站設計參數仍然參照《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設及壓煤開采規程》選取[9-13]。12401 工作面上覆巖層的普氏系數絕大多數小于2，單向抗壓強度主要在2～20 MPa 之間，根據“三下采煤規程”相關規定將其定為軟弱巖層[14]，同時考慮到12401 工作面采厚較大，工作面推進速度較快，根據對觀測數據整理分析，用解析法分別計算走向和傾向的綜合邊界角、基巖移動角。

2.1 走向和傾向的綜合邊界角

12401 工作面的走向和傾向觀測線條件方程：

式（1）簡化為 ha+Hb=L。

式中：L 為工作面到采空區邊界的水平距離，m；h 為松散層厚度，m；H 為基巖厚度，m；λ 為松散層邊界角；δ 為基巖邊界角；a、b 為待求系數，a=cotλ，b=cotδ。

將相關數據代入條件方程得：

解得 λ=36°，δ=62°。

將基巖和松散層的厚度進行疊加，運用反三角函數，計算在走向的綜合邊界角α，取平均采深為152 m，即得到取 α=57°；傾向的綜合邊界角β，取平均采深為 135 m，即得到β=arccot取 β=58°，取，由于開采煤層屬于近水平煤層，工作面地表起伏波動較小，通過綜合分析取走向和傾向的綜合邊界角為 57.5° 。

2.2 基巖移動角

將松散層邊界角λ=36°，松散層平均厚度h= 62 m，基巖厚度H=35 m,代入式（2）求基巖移動角η：

式中：L 為當地表傾斜i= 4 mm/m，水平移動u=5 mm/m，水平變形=3 mm/m，曲率 K= 0.6×10-3時，邊界點到工作面的距離，m。

將數據代入方程求解得基巖移動角η=54°。同時，走向和傾向的綜合移動角采用地表移動變形參數進行求取。由于地表綜合移動角受基巖邊界角影響，計算得地表走向和傾向綜合移動角為 45°、46°，開采煤層為近水平煤層，因此觀測線無論在走向和傾向上，綜合移動角均采用α0=β0=45.5°。通過分析可知：地裂縫對地表移動變形影響較大，沿著走向觀測線，由于受地表移動變形影響，導致該方向移動角值變化較大，而在傾向方向，地表移動變形波動起伏不明顯，且工作面上覆基巖和松散層厚度較大，移動角值在傾向上變化較小。上灣礦12401 工作面地表移動角值參數統計表見表2。

3 地表移動變形特征分析

3.1 地表下沉特征分析

將觀測數據進行處理，選取12401 工作面的傾向觀測線 B 從 2018 年 5 月到 2019 年 3 月的 6 次觀測數據，對應不同的觀測時期，繪制的地表下沉曲線，如圖3。

表2 巖層移動角值參數統計表Table 2 Statistical table of rock formation angle parameters

圖3 地表下沉觀測線Fig.3 Ground subsidence line

從12401 工作面的地表下沉曲線可以得出：隨著工作面繼續向前推進，各個觀測點下沉量越來越大，地表下沉范圍也逐漸增大。由圖3 可知，2018 年5 月的地表下沉量相對較小，地表移動變形不明顯，2018 年7 月，地表有明顯的移動變形，變形曲線呈現碗形，最大下沉量為269 mm，從2018 年9 月往后，地表移動變形劇烈，下沉速度加快，下沉量增大且地表下沉范圍不斷擴大，地表最大下沉值 558 mm。從2018 年11 月以后的3 次觀測中，地表下沉速率減小，地表移動變形放緩，下沉量趨于穩定，地表下沉進入衰退期，最大下沉量為1 152 mm。

分析認為，在工作面繼續向前推進過程中，工作面上覆巖層的整體性和穩定性受到破壞，直接頂和基本頂相繼垮落，巖層破壞帶來的擾動波及至地表，導致地表產生彎曲下沉，隨著開采面繼續擴大，引起地表下沉量增大，由于上覆松散層的土體厚度較大，幾乎沒有承載能力，因此從2018 年7 月起，地表下沉速度加快，下沉速率達 58%；雖然從2018 年11月下沉速度降低，但是地表下沉量仍持續增加。同時由地表下沉曲線可以看出，當工作面未達到充分采動情況下，地表的實測下沉量為 981 mm，下沉系數達1.06，因此在厚松散層地質條件下，地表移動變形特征表現為下沉速度快、下沉速率大、采動影響劇烈的現象。

3.2 地表下沉速度分析

根據傾向地表下沉數據，繪制的地表下沉速度曲線如圖4。從圖4 可以看出，2018 年5 月到2018年7 月地表下沉緩慢，下沉速度變化較小，在正常采高13 m 條件下，地表下沉速度平均在8 mm/d 左右，最大下沉速度達16 mm/d；2018 年9 月工作面回采結束之后，地表下沉速度減緩，2019 年1 月之后地表逐漸開始穩定，到2019 年3 月地表基本穩定。隨著工作面進行開采，將數據進行處理，從圖中可以看出2018 年5 月以前，地表處于啟動階段，下沉速度不到2 mm/d；前5 個月處于活躍期，特別是前3 個月地表下沉在 5 mm/d 以上；2018 年 11 月開始進入衰減期，此后便逐漸穩定，至2019 年3 月已經基本穩定。

圖4 地表下沉速度觀測線Fig.4 Surface subsidence velocity observation line

根據國內大量學者對最大下沉速度的研究，可以得出如下結論：最大下沉速度與采場上覆巖層巖性、工作面推進速度、采厚比、采動程度有關。其中，推進速度與覆巖巖性成正比，下沉速度與巖層厚度成反比[15]。在此基礎上，根據實際生產中工作面的推進速度來計算出厚松散層下地表最大下沉速度系數，以此減小在厚松散層工程地質條件下地表移動變形。最大下沉速度的計算一般采用vmax經驗公式：

式中：K 為最大下沉系數；Wmax為地表最大下沉量，mm；v 為工作面推進平均速度，m/d；H0為平均開采深度，m。

將12401 工作面推進平均速度v=3.24 m/d，代入上式計算得到厚松散層地表最大下沉系數為1.56，比非厚松散層下沉系數偏高，結果表明厚松散層作為基巖的壓密介質覆蓋于地表，對基巖起荷載作用，當煤層開采引起基巖破壞，松散層壓密基巖的離層裂隙和垮落空隙，加劇地表變形程度，加快地表下沉速度。

4 地表移動數值模擬

4.1 FLAC3D數值模型

針對神東礦區上灣礦12401 工作面，結合已收集到的地質資料，運用FLAC3D對地表下沉及水平移動進行數值模擬，根據上灣礦實際開采面積及工作面開采高度，此次模擬，x 方向為1 500 m，其中煤層從左邊90 m 開挖至1 150 m，共開挖1 060 m，與工作面實際長度一致，y 方向為10 m，建立的模型如圖5。

圖5 FLAC3D 數值模擬初始模型Fig.5 FLAC3D numerical simulation initial model

查閱相關文獻，數值模擬計算結果是否更接近實際，取決于計算巖石力學參數選取的準確性。根據上灣煤礦地質綜合柱狀圖及巖石物理力學實驗資料，對該礦井的巖石力學參數進行計算，本模型巖層采用的巖性參數見表3。

4.2 數值模擬結果分析

通過FLAC3D數值模擬計算，地表最大下沉值達到860 mm，理論預計和實測地表最大下沉值分別為857、871 mm，實測結果與模擬結果基本相符,地表下沉云圖如圖6。從圖6 可以得出，工作面頂板存在1層20 m 厚的細粒砂巖，該巖層作為覆巖中的關鍵層，可以有效抑制裂縫向上發育，減小因采動影響引起的地表移動變形。

水平移動云圖如圖7。從圖7 可以看出，地表的最大水平移動是360 mm。理論預計和實測結果分別為361、362 mm，實測結果與模擬結果基本相符。由于工作面采動影響，拉應力作用于上覆巖層產生裂縫，同時地表松散層較厚，阻礙了地表移動變形水平傳播，因此，當傾向和走向的綜合邊界角為60°左右，地表移動范圍變化較小。

表3 巖石力學參數統計表Table 3 Statistical table of rock mechanics parameters

圖6 下沉云圖Fig.6 Sinking clouds

圖7 水平移動云圖Fig.7 Horizontal clouds

5 結 論

1）通過建立地表移動觀測站，對工作面的實測數據進行分析，計算出上灣礦12401 工作面的巖移參數。松散層邊界角為λ=36°，基巖移動角為η=54°，走向綜合移動角為α=57°，傾向綜合移動角為β=58°，計算結果表明，地表移動變形對走向的移動角值影響較大，由于上覆厚松散層作用，傾向移動角值變化不大。

2）隨著工作面開采范圍擴大，巖層的整體性收到破壞，地表有明顯的移動變形，通過分析，地表下沉量與覆巖巖性成正比，下沉速度與巖層厚度成反比，最大下沉量達1 152 mm，最大下沉速度達16 mm/d；同時受厚松散層地質條件影響，基巖的離層裂隙被壓密，巖層結構被破壞，造成地表下沉量增大，下沉速度加快。

3）工作面移動變形的實際結果和數值模擬結果基本相符。細粒砂巖作為工作面頂板的關鍵層，可以有效抑制裂縫發育，降低地表下沉量；在厚松散層工程地質條件下，工作面走向和傾向的綜合邊界角為60°左右時，可減少地表移動變形范圍。