不同傾角下急傾斜特厚煤層地表沉降規律研究

宋帥帥，王宏志

（新疆大學地質與礦業工程學院，新疆 烏魯木齊830046）

0 引言

煤炭是我國的主要能源結構，在國民經濟發展發揮重要作用。相對東部礦區，西部煤炭資源賦存條件較好，預測儲量兩萬億噸[1]。煤炭推動了我國社會經濟的發展，隨著工業革命的爆發、全球經濟的發展，人類對于煤炭能源需求量也越來越高，煤炭的大量開采導致的一系列環境地質也愈發明顯。例如：地表沉降、水土流失、地表變形、路面破壞、建筑物的破壞等等一系列的問題。在我國煤炭儲量中，急傾斜煤層所占的比例不到5%，但在西北地區如新疆等一些省份中卻占有相當大的比重[2]。急傾斜煤層的形成是初期地殼不均勻沉降、沖蝕作用及后期褶皺和斷裂運動的結果，其地質條件是多樣的。烏東煤礦煤層傾角有從45°到90°的各種變化，甚至出現倒轉現象。有薄、中厚、厚及特厚煤層，多數礦井開采煤層群，一般厚度變化較大由于急傾斜煤層普遍角度大于45°，煤層的開采會引起覆巖層的彎曲和破斷，進而導致了地表的沉降。隨著采礦事業的發展和進行，礦產開發對于環境的破壞也越來越受到重視，目前對于大傾角厚煤層對地表沉降的研究在國內也有部分研究。馮國財[4]等學者針對斷裂活動影響礦區的采煤沉降災變問題，得出在斷裂活動影響范圍內地區構造應力會加劇采煤地表沉降；晁海剛[3]研究了表土層與基巖對地表沉降的影響規律，指出基巖是控制地表沉降的主要因素；高均海[5]等對深部開采地表沉降規律及機理進行了研究，指出深部不充分開采情況下，地表下沉值和速率均較小，地表下沉變化不明顯；地表沉降預計是采礦界研究的熱點問題之一[。近年來，有人嘗試應用非線性科學理論和方法，如灰色系統理論、分形理論、人工神經網絡預測模型等[9-10]，對地表沉降進行預計。再者西北地區本身生態較為脆弱，土地荒漠化、土壤鹽漬化問題嚴重，資源的開發更加劇了這些問題的負面影響。因此本文以新疆準南煤田烏東煤礦為背景，利用U DEC數值模擬軟件構建數值模型，通過對急傾斜特厚煤層開采引起的地表沉降進行分析，得出不同傾角下地表沉降的范圍和大小，揭示西北生態脆弱區煤炭開采地表沉降規律，為西北急傾斜特厚煤層的大規模開采提供理論依據。

1 工作面開采地質條件

準南煤田烏東礦區位于烏魯木齊東北部，行政區屬于烏魯木齊東山區管轄，處于山前拗陷次級褶皺八道灣向斜南北兩翼，屬于博格達北麓的山前丘陵帶，南高北低，井田位于八道灣向斜南翼的含煤地層是中侏羅統的西山窯組，西山窯組地層呈北東-南西向帶狀展布，地層總厚度818.07m。含煤54層，煤層總厚度169.81m，含煤系數20.76%，經編號的煤層46層，自上而下編號為B0-B46號煤層，平均總厚度166.63m，含煤系數20.37%。其中可采、大部可采煤層25層，為B34、B33、B32、B30、B28-29、B27、B25-26、B21-24、B20、B19、B18、B17、B16、B15、B14、B13、B12、B11、B10、B9、B8、B7、B4-6、B3-4、B1-2號煤層，平均可采總厚度135.48m。含煤系數16.56%，其余煤層不可采或零星可采。本次要開采的煤層為向斜北翼+575水平45#煤層東翼工作面，向斜北翼為一向南東傾斜的單斜構造，傾角東緩西陡傾角43°～51°,位于J2x的底部，煤層最大厚度39.45m，最小厚度11.83m，煤層平均厚度28.47m，含夾矸4～11層，夾矸單層厚0.06～2.43m，結構復雜，為全區可采的較穩定煤層。

2 數值模型的建立

結合煤礦實際情況、工作面條件等，確立建立以35°、45°、60°傾斜角度煤層為數值模型進行研究。本次煤層主要開采45#號煤層，煤層基本頂與直接頂均為粉砂巖，厚度較大，強度高。45#煤層南北走向長度約為2 540m，采用水平分段技術開采。45#煤層是一組煤層組合密集的復煤層，煤層厚度最大，夾肝層數多而厚度不大，不能分層。此次開采每個水平段為20m，開采5個水平分段，共開采100m。

1）通過對煤礦現場工作面的巖石取樣，將樣品進行加壓測試、運用公式計算得到了各個巖層和煤層基本的物理力學參數，見表1。

表1 巖石力學參數

2）模型邊界條件和尺寸。結合45#煤層的現場實際開采條件、煤層的走向長度和傾向長度，同時結合直接頂、基本頂的厚度和各巖層、煤層的厚度，將模型設置為長度500m、高度300m，如下圖1所示。模型設置為6層地層，采用摩爾庫倫接觸滑移，左右邊界為約束邊界，下邊界為固定邊界，X，Y方向位移均為0，重力加速度為9.8 m/s2，上部邊界無荷載。

圖1 數值模型地層分布圖

3）測點的布置。在模型地表上布置50個測點，每個測點間距為10m，測點用來監測地表沉降的動態變化。

3 地表沉降規律研究

3.1 35°煤層開采對地表沉降的動態影響規律

如圖2（a）所示，當35°煤層第一水平分段開采時，煤層頂板開始出現彎曲現象，隨著開采的進行，煤層頂板空間應力形成重分布，煤層直接頂垮落到工作面的底板上，繼而基本頂也發生垮落，上覆巖層形成離層，進而發生破斷，地表出現小型的塌陷坑，塌陷坑的寬度為200m，最大地表下沉值約為7m。

如圖2（b）所示，第二水平分段開采時，上一水平的煤層頂板全部垮落，在采空區形成了穩定的拱形平衡結構。此時覆巖進一步發生彎曲下沉，隨后發生破斷，相比于上一分段覆巖的彎曲破斷更加明顯，地表沉降范圍進一步擴大，寬度擴大到300m左右，地表沉降最大值為9m，地表形成了盆狀漏斗塌陷結構。

圖2 煤層傾角35°時覆巖垮落圖

如圖2（c）所示第三水平開挖時，拱形平衡結構并沒有發生破壞，大量頂板巖層和頂煤垮落在工作面底部上。如圖2（d）、（e）所示，隨著煤層開挖完畢地表沉降擴大至500m，遍布模型范圍內，地表沉降最大值達到14m，形成了地表沉降盆狀漏斗形沉降。

當第一水平開采完畢時，地表沉降最大值達到1.9m，第二水平開采完畢地表沉降最大值達到7.3m，第三水平開采完畢時地表沉降最大值達到11m，第四水平開采完畢地表沉降達到13m，第五水平煤層開采完畢時地表沉降達到14m，形成了先快速增長后緩慢增長的趨勢，符合了大傾角煤層覆巖層垮落和地表沉降規律。

3.2 45°煤層開采對地表沉降的動態影響規律

如圖3（a）所示，當45°煤層第一水平開采時，原有空間應力狀態變化，煤層頂板開始發生彎曲下沉，直接頂和基本頂進而發生彎曲破斷，上覆巖層出現彎曲下沉，同時地表開始沉降，地表沉降范圍和深度隨著工作面開采逐步擴大，開采完畢時，煤層頂板全部垮落到底板上。地表最大下沉值達到2m。當煤層開采第二水平時，如圖3（b）所示，煤層頂板進一步彎曲下沉，地表沉降范圍和深度逐步擴大，上覆巖層裂隙逐漸發育，覆巖變形加劇，變形幅度逐漸增加。當煤層開采第三水平時，如圖3（c）所示，頂板已經完全垮落在煤層底板上，裂隙發育繼續擴大，覆巖變形加劇。當煤層開采第四水平時，如圖3（d）所示，地表沉降仍在繼續發展，沉降范圍繼續擴大，地表沉降最大值逐步擴大，速率變小，此時覆巖層的變形幅度相比前幾個水平較為緩慢。當煤層第五水平開采時，如圖3（e）所示，地表沉降范圍已經大幅度增加，地表沉降最大值也達到頂峰14m，覆巖不再繼續發生明顯的變形。

圖3 煤層傾角45°時覆巖垮落圖

3.3 60°煤層開采對地表沉降的動態影響規律

如圖4（a）所示，當第一水平開采時，煤層直接頂開始緩慢下沉，頂煤垂直向下垮落，裂隙逐漸向上發育，隨后直接頂發生破斷，基本頂進一步彎曲下沉，開采完畢后采空區充滿松散破碎的巖石，進一步壓實；如圖4（b）所示，當開采第二水平時，裂隙發育逐漸向上延伸，裂隙范圍逐步擴大，地表沉降增加幅度變大，地表沉降最大值達到4m，增速較為明顯；當第三水平開采時，如圖4（c）所示，上覆巖層彎曲下沉幅度進一步擴大，采空區松散破碎巖石持續壓實，此時頂板的垮落對工作面開采的影響較大；當第四水平開采時，如圖4（d）所示，覆巖變形幅度變小，形成了新的拱形結構支撐著上覆巖層和煤層之間的平衡，相比于前幾個水平的開采，地表沉降幅度呈現緩慢增加趨勢；當第五水平開采完畢時，如圖4（e）所示，地表沉降范圍面積達到最大，遍布整個模型范圍達到400m，地表沉降最大值達到4.2m。

圖4 煤層傾角60°時覆巖垮落圖

3.4 不同傾角下地表沉降最大值變化規律

由圖5（a）可知，隨著煤層的開采，上覆巖層不斷的彎曲下沉跌落到底板，地表沉降也隨著開采變大，塌陷坑逐漸擴大。當煤層為35°時地表沉降最大值出現先快速增加后緩慢增加的趨勢，塌陷范圍擴大到地表周圍200m，塌陷深度達到14m，地表下沉值隨開采水平分段的增加而增大，隨著水平分段的開采，地表沉降曲線趨于平緩。當煤層為45°時，隨著開采進行，地表沉降最大值先快速增加后增速緩慢，后期沉降曲線較為平緩，和35°地表沉降類似。當煤層60°時，地表沉降最大值為4.2m，遠遠小于35°、45°煤層地表沉降最大值，地表沉降幅度較小，覆巖變形活動幅度較小，沒有形成完整的塌陷盆地。

圖5 地表沉降最大值對比圖

由圖（b）可知地表沉降最大值隨著煤層傾角的不斷增大而減小，傾角越大地表沉降越小，下沉值越小，塌陷波及范圍越小。當35°、45°、60°時分別為14、12、4.2m。

4 結論

1）隨著煤層傾角增大，工作面開采引起的地表下沉速度呈現先增加后減小的趨勢，地表沉降前期在開采影響下快速增加，在開采后期隨著工作面的推進地表沉降增速逐漸變慢，沉降最大值和沉降范圍增加幅度也逐漸變緩，35°、45°煤層所有水平開采完畢時，地表形成了穩定的漏斗盆狀沉降結構，漏斗呈現左邊較為平緩，右側較為陡，符合大傾角煤層開采地表沉降的一般規律。

2）35°、45°、60°時地表沉降最大值分別為14、12、4.2m，煤層傾角越大開采引起的地表沉降值越小，地表沉降最大值隨著煤層傾角的不斷增大而減小，傾角越大地表沉降最大值越小，塌陷波及范圍越小。

3）經過以上分析，煤層傾角是影響地表沉降的一個重要因素，角度越小的煤層開采引起地表變化就越明顯。由于新疆地區大多是急傾斜特厚煤層，通過煤層傾角的確定就可以預測地表變形的幅度，同時對可能帶來的危害進行防治。