大柳塔煤礦地表沉陷移動變形規律研究

孫祺鈺，呂英華，陳明浩，于永寧，陶亞飛，高 森

（1.國家能源集團神東煤炭集團公司，陜西神木 719315；2.中國礦業大學（北京）能源與礦業學院，北京 100083）

長期以來煤炭是我國主要的基礎能源，隨著煤炭開采戰略西遷，西部礦區已作為了我國煤炭主要開采區，而西部礦區是淺埋大采高開采，造成地表破環嚴重，直接導致西部礦區地表生態破壞，造成了國民經濟的損失，制約了煤炭持續化綠色開采，因此研究該區域覆巖移動規律及地表生態保護方法具有重要意義。

對于覆巖移動及地表沉陷研究，諸多學者開展了大量的工作研究。戴華陽等[1]總結了巖層與地表變形時空關系，提出了開采沉陷的動態地表移動變形描述方法；申濤等[2]以陜北礦區為研究對象，通過實測數據分析黃土層、中等偏硬基巖在回采情況下地表移動規律：李春義等[3]對厚黃土層地表移動構建了地表下沉和水平移動擬合函數模型;黃飛等[4]通過對龍灘礦工作面地表觀測站數據整理，分析了工作面開采地表沉陷動態變化特征；唐君等[5]通過對礦區地表測點數據整理，分析了薄沖積層綜放開采地表移動變形規律；白光宇等[6]通過相似模擬實驗研究了山區開采下地表沉陷移動變形規律；楊帆等[7]通過數值模擬分析了采動地表裂縫形成機理；孫慶先等[8]在淺埋煤層綜采（綜放）的條件下，對煤層采出后的地表移動變形進行了研究，分析并得出了在煤層埋深較淺且采用綜采（綜放）的采煤工藝的條件下，地表發生移動變形的機理；王金莊等[9]通過對厚松散層煤層條件下，由于煤層開采所引起的地表移動下沉現象進行現場實測和理論分析，得出了斷裂臨界的開采寬度和充分臨界開采寬度的計算公式；郭文兵、朱慶偉、昝軍才等[10-12]采用理論分析和數值模擬方法對煤礦大采高長壁采煤法所引起的煤層上覆巖層發生破壞的高度及充分采動時上覆巖層發生破壞的判據進行了深入的研究。

上述研究在煤炭開采下地表移動變形取得了較大的進展，通過結合該礦實際，在52304 工作面上布置地表觀測站，采用UDEC 離散元數值模擬分析，地表移動實測數據及移動參數分析；研究了西部礦區大柳塔礦地表移動變形規律，為西部礦區開采提供數據參考依據。

1 工程背景

1.1 工作面概況

在大柳塔礦井5-2 煤52304 工作面的上方建立移動觀測站，該地區地處丘陵地區，地形復雜，海拔高度為1 154.8～1 269.9 m，地表觀測站附近地表平均標高為1 214 m。工作面煤層厚度范圍6.6～7.3 m，平均煤層厚度6.94 m，地板標高988.7～1 018.1 m,埋深為136.7～281.2 m，平均225 m，煤巖類型以半暗型和半亮型煤為主，并夾雜少量的亮煤及暗煤。煤層底部為1～2 層的泥巖夾矸，夾矸厚度在0.2 m左右。頂底板均為泥質膠結粉砂巖，頂板為波狀層理，底板為水平層理發育，局部有泥巖、細砂巖薄層發育。本區域煤層傾角小于2°，觀測站下方煤層近似于水平，根據64#、269#、293#鉆孔資料可知，設站地區溝谷主要由風積砂覆蓋，第四系松散層厚度20 m 左右，坡頂基本無第四系沉積。工作面為刀把式，工作面最窄147.5 m，最長301 m，工作面走向長度為4 547.6 m。采用走向長壁采煤法，頂板管理采用全部垮落法。

1.2 地表移動變形觀測布設

大柳塔礦井5-2 煤首采面巖移觀測布設為：傾斜線點位（Q1-Q34）向切眼方向平移140 m，并在刀把式工作面最窄工作面上方增加1 條觀測線（Z72-Z82），走向觀測線按原設計點位埋設（Z1-Z71）。3 條觀測線總長度2 451 m，共埋設116 個工作測點，6個控制點。主要包括2 個半條走向觀測線，觀測線Z1-Z71，測線長度1 400 m，測點平均間距20 m，觀測線Z72-Z82，測線長度200 m，測點平均間距20 m；傾向觀測線Q1-Q34，測線長度849 m，測點平均間距25 m。52304 工作面測點布置如圖1。

圖1 52304 工作面測點布置Fig.1 Layout of measuring points in 52304 working face

2 工作面實測地表移動變形規律

2.1 實測數據分析

走向地表下沉曲線（長線）如圖2，走向地表下沉曲線（短線）如圖3，傾向動態下沉曲線圖如圖4。

圖2 走向地表下沉曲線（長線）Fig.2 Strike surface subsidence curves（long line）

圖3 走向地表下沉曲線（短線）Fig.3 Strike surface subsidence curves (short line)

圖4 傾向動態下沉曲線圖Fig.4 Tendency dynamic subsidence curves

由圖2 可以看出，隨著工作面的快速推進，走向下沉曲線依次向左出現。測點位置在開切眼工作面推進方向140 m 處，地表的對應測點下沉并隨時間范圍2011-11-01—2012-05-25，地表測點Z46 到測點Z26 間下沉量先增大后減小，2011-11-26，最大下沉值測點Z32 為2 800 mm，在時間2012-05-25和2013 年2 次測量后工作面上方地表在測點Z46到測點Z1 范圍內下沉量基本相近，最大下沉值約為3 600 mm，走向觀測線最后1 次測量（2013-03-19）與前次測量（2012-05-25）成果比較，下沉速度最大點的是Z11 點，根據下沉速度，Z11 點在6 個月下沉為27.6 mm，走向線上其它各點6 個月下沉據均小于Z11 點，認為走向觀測線已經穩定。

由圖3 可以看出，刀把式工作面隨工作面的推進，走向下沉曲線依次向左出現。地表的對應測點下沉并隨時間范圍2011-11-01—2012-05-25，地表測點Z81 到測點Z72 間下沉量先增大后減小，2012-05-25，最大下沉值測點Z75 為2 250 mm，在時間2011-11-08 和2012-05-25 年4 次測量后工作面上方地表在測點Z76 到測點Z74 范圍內下沉量基本相近，刀把式工作面推進過測點范圍后，由于在測點地表已經下沉，觀測及分析數據僅做參考。

由圖4 可以看出，隨工作面的推進，傾向下沉曲線平行于工作面對稱出現。測點位置在開切眼工作面推進方向140 m 處，地表的對應測點下沉并隨時間范圍2012-01-17—2013-08-19，地表測點Q34 到測點Q1 間下沉量先增大后減小，2012-08-19，最大下沉值測點Z13 為3 500 mm，在時間2013-03-19測量后工作面上方地表在測點出現2 次下沉，原因是回采下一工作面出現的地表下沉，最大下沉點是Q30，本次最大下沉達3 691 mm，傾斜觀測線從2012-05-25 測量數據分析觀測線兩端下沉速度非常小，接近于穩定，觀測線中間（采面正下方）還在下沉。2012-08-19 測量數據表明整個觀測線下沉速度不大，最大下沉點是Q9，6 個月累計下沉值為46 mm，所以傾向觀測線數據分析采用2012-08-19 觀測結果，認為傾向觀測線已經穩定。

2.2 最大下沉點速度特征

走向最大下沉點曲線圖如圖5。傾向最大下沉曲線如圖6。

圖5 走向最大下沉點曲線圖Fig.5 Curves of maximum subsidence point

圖6 傾向最大下沉曲線Fig.6 Tendency maximum subsidence curves

由圖5 可以看出，地表下沉速度的變形在測點Z36～Z18 間較大，地表測點Z35 最大下沉速度達430 mm/d，由于地表下沉的速度大，所以從開始下沉到達到下沉的最大值所用時間較短，并且下沉量大，測點Z35 累計下沉量最大為3 800 mm，并且由于下沉地區中心位置的下沉量較大，而且采區四周的下沉量在較小的范圍內快速降低，下沉地區的邊界十分收斂，從而導致了下沉地區的邊緣非常陡峭。

由圖6 可以得出，地表下沉速度在測點Q18、測點Q30 間較大，在地表測點Q18 最大下沉速度達33 mm/d，從地表開始下沉到最大下沉值時間短，測點Q30 累計下沉值最大為3 550 mm，因為各個測點的下沉速度不同，所以地表裂縫寬度的大小也不同。經過對工作面上方地表的現場實測發現，切眼位置兩側的下沉盆地邊緣均出現了相對比較固定的裂縫，裂縫方向與采空區邊界方向基本一致，裂縫寬度一般較大，并在裂縫處出現臺階。

3 采動后地表移動變形規律

3.1 數值模型

為了研究覆巖斷裂后導致的地表移動變形，利用離散元軟件UDEC 分析采動后覆巖變形破壞規律。UDEC 數值模擬模型：模型長500 m，高225 m，模型的左右邊界為水平方向，底部邊界為垂直方向，且位移固定，上部邊界為自由邊界。模型基于摩爾-庫倫強度準則，煤巖物理力學參數見表1。

表1 煤巖物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of coal and rock

3.2 模擬方案及結果分析

不同推進距離覆巖裂隙場形態及位移量云圖如圖7。工作面推進下沉曲線如圖8。

圖7 不同推進距離覆巖裂隙場形態及位移量云圖Fig.7 Shape and displacement nephograms of overlying rock fracture field with different advancing distance

圖8 工作面推進下沉曲線Fig.8 Advancing subsidence curves of working face

由圖7 可知，在模型中模擬從100 m 處開切眼向右推進，每次推進50 m，共推進200 m。當模型工作面推進50 m 時，由于砂巖頂板厚度較大，在模型中直接頂發生斷裂垮落，基本頂尚未發生破斷，工作面上方基本頂形成砌體梁結構，基本頂上層和下層之間出現離層，采空區直接頂懸空。當模型工作面推進100 m 時，基本頂發生破斷，關鍵層的破斷引起關鍵層以上的頂板發生位移并傳遞到地表引起地表發生一定下沉。當模型工作面推進150 m 后，地表下沉達到最大值。

由圖8 可知，由于工作面推進速度的提高，使得煤層上覆巖層的各個層次下沉的速度均得到不同程度的加快，從而使得上覆巖層的相對懸空時間減少，所以導致移動變形的集中。另外，綜采采高大，造成垮落帶、斷裂帶增高，彎曲下沉帶相對減小,也使移動變形相對集中。

4 相鄰工作面鉆孔窺視分析

DS6 號孔裂隙成像如圖9。DS7 號孔裂隙成像如圖10。DS6 號孔為采前孔，巖心較完整，裂隙發育少，成像檢測僅有3 條裂隙發育。DS7 號鉆孔為采后孔，整孔裂隙發育，巖心破碎。

圖9 DS6 號孔裂隙成像Fig.9 Fracture imaging of hole DS6

圖10 DS7 號孔裂隙成像Fig.10 Fracture imagings of hole DS7

1）巖石成像。由于大柳塔礦區以煤系地層的砂巖、泥巖、砂質泥巖為主，同一巖性地層在水平方向上性質較均一，在成像結果中，完整巖石表現為水平及豎直方向上都很均勻，在分層處可見水平層理面。完整巖石在成像成果中為：①顏色：較均一的灰黃色、灰色、深灰色；②光滑程度：較為均一的光滑或粗糙感；③反光情況：無明顯的反光點或線。

2）煤層成像。由于煤層的黑色與巖層顏色差異明顯，且具有明顯不同于巖石的反光特性，因此在成像成果中容易判別，煤層在成像成果中為：①顏色：較均一的黑色；②光滑程度：由于煤性脆、鉆探的斷面較粗糙；③反光情況：有明顯的較均一的反光點。

3）裂隙成像。由于裂隙發育位置破壞了巖層的均一性，且由于裂隙邊沿處處會有少量積水，在成像成果中會有沿裂隙邊沿延伸方向的線狀反光，在寬度較大的裂隙中央則呈現為黑色。裂隙在成像成果中為：①顏色：裂隙中央為均一的黑色；②反光情況：會有沿裂隙邊沿延伸方向的線狀反光。

5 結 論

1）由于工作面推進速度的提高，導致煤層上方各個巖層的沉降速度均得到不同程度的提高，從而使得上覆巖層的相對懸空時間減少，所以導致移動變形的集中另外，綜采采高大，造成垮落帶、斷裂帶都有不同程度的增高，彎曲下沉帶相對減小，也使移動變形相對集中，可以用來研究地表沉陷規律及預測地表變形規律。

2）地表下沉的最大速度430 mm/d，因為地表下沉的速度大，所以從開始下沉到達到下沉的最大值所用時間較短，并且下沉量大，走向觀測線上的點Z10 的最大下沉量為3.959 m，并且由于下沉地區中心位置的下沉量較大，而且采區四周的下沉量在較小的范圍內快速降低，下沉地區的邊界十分收斂，從而導致了下沉地區的邊緣非常陡峭。經過在工作面上方的現場實測發現，切眼位置兩側的下沉地區邊緣均出現了相對比較固定的裂縫，裂縫方向與采空區邊界方向基本一致，裂縫寬度一般較大，并在裂縫處出現臺階。DS6 號孔為采前孔，巖心較完整，裂隙發育少，成像檢測僅有3 條裂隙發育。DS7 號鉆孔為采后孔，整孔裂隙發育，巖心破碎。

3）快速開采使總的地表移動時間縮短。地表從開始下沉到接近最大下沉量所用不到6 個月的時間，而且穩定時間較長，最后下沉100 mm 接近10個月的時間才能達到穩定。