煤礦開采地表沉陷預測及其防治研究

張 深

(煤炭科學技術研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013)

隨著我國對煤炭的需求量持續加大，使得村莊和建筑物下的煤炭開采得到了越來越多的關注。陜西某礦的4號煤儲量約為19億t，其中地表建筑物和設施下的煤炭量達到3.9億t，嚴重制約了礦井的發展。如能將此類煤炭安全合理有效的開采，能夠迫切地解決企業的資源問題，也能夠帶來顯著的經濟效益和社會效益[1-3]。

“三下”壓煤開采的開采會使地表發發生移動沉降，甚至建筑物破壞。因此，為了查明煤礦開采引起的地表沉陷規律，本文以山西某礦4號煤層為研究對象，通過地質條件分析和地表移動變形現場觀測，得出非充分采動條件下對地表的沉降規律，并通過FLAC3D模擬[4]進行驗證，并提出預防建議。研究結果可闡明煤礦工作面開采后的地表沉陷規律，為具有相似地質條件礦井的地表沉降防治提供參考。

1 煤層基本地質條件

研究礦位于陜西省昌武縣亭口市，生產能力300萬t/a，4號煤層厚度1.00～22.34 m，平均厚度9.30 m，煤炭賦存標高+390～+535 m，地面標高為+861.2～+1 078.9 m，平均埋深560～606 m，煤層傾角3°～9°，平均傾角5.5°，煤層厚度小，平均厚0.48 m，主要是泥巖或炭質泥巖，結構比較穩定，比較單一的簡單厚煤層。工作面全部采用長壁綜采放頂煤采煤法，采用全部垮落法控制頂板[5-6]。

2 地表移動現場觀測

2.1 觀測方案設計

(1)方案設計原則。煤礦地表地形復雜，高差起伏大，觀測難度較大，因此為滿足觀測要求，觀測線必須布置在地表沉陷池的主體部分，且觀測線的長度必須大于地表沉陷池的范圍。觀測線應根據采礦條件和建站目的控制測點密度，并應有利于觀測。測點應埋設在凍土線以下，防止外界非開采影響的移動，觀測期間觀測站不受鄰近礦山開采影響，觀測站控制點埋設牢固在移動盆地的范圍之外[7]。

(2)觀測站布置。根據《建筑物、水體、鐵路和煤柱及煤礦開采規程》，確定走向角、向上角和向下移動角均為70°，移動松散層的角度為55°[8-11]。走向觀測線的西端設置4個觀測站控制點，每個觀測站控制點與觀測線外端點的最小距離為110 m，觀測站控制點之間的最小距離為40 m，具體布置如圖1和表1。

圖1 工作面的觀測布置Fig.1 Working face observation layout

觀測站的測量點標記用預制標記石掩埋。當石頭被埋在觀察站的控制點時，會在現場創建一個詳細的點注釋。點注附有1張照片，顯示標記的構造狀態并反映標記坑的大小和形狀。對準標記、地表紋理條件、周邊地物、地貌等[12-14]，如圖2所示。

表1 工作面的觀測線長度及測點數Tab.1 Length of working face observation line and number of measuring points

圖2 基礎控制點埋石Fig.2 Foundation control point buried stone

2.2 觀測結果分析

地表觀測線測點下沉與水平移動分布規律如圖3所示。由圖3可以看出，采動影響下的工作面地表呈現連續的下沉盆地。此外，隨著采掘前沿的不斷開發，地表沉降盆地的影響范圍不斷擴大，地表沉降值和水平移動值不斷增加。工作面最大沉降值出現在采空區中心上方，向兩側逐漸減小，沉降曲線基本對稱于采空區中心。最大沉降值為測點A36，該點沉降值為152 mm；最大水平位移值出現在測點A23，該點水平位移值為49 mm，下沉系數為0.026，水平位移系數為0.06。

圖3 觀測線的地表下沉和水平移動分布Fig.3 Distribution map of surface subsidence and horizontal movement of the observation line

工作面連續推進過程中，工作面方向觀測線的動態沉降曲線如圖4所示。由圖4可以看出，隨著工作面開采的日益推進，采動地表影響范圍不斷擴大，地表測點的下沉值不斷增加，活躍開采期地表沉降的增加明顯大于啟動和活躍期。 在采區一定高度以上，開挖區直接頂板的坍塌和破壞增加，開采引起的變形裂縫不斷發展到上覆地層，最終蔓延到地表。 從工作面開挖開始到320 m開挖過程，工作面地表觀測線上各測點下沉值均小于10 mm，其中最大下沉值為7 mm；當面減小到352 m時，有一些測量點，下沉值達到并超過10 mm。 根據起始距離的評估標準，起始距離的大小應在320～352 m內，相當于平均開采深度的0.47～0.52倍。

圖4 工作面走向觀測線動態下沉曲線Fig.4 Dynamic subsidence curve diagram of the observation line of the working face

3 開采地表移動數值模擬

3.1 模擬軟件及模型

為反映覆巖及地表的運移情況，采用FLAC3D數值模擬軟件[15-17]。根據實際工作面開采情況建立長(X)1 800 m、寬(Y)1 300 m、高(Z)625 m的數值模型。X軸沿主傾斜部方向，Y軸沿工作面的推進方向，Z軸為采深方向。模型設定工作面開采深度為620 m，工作面開挖高度為9.2 m，開采寬度為202 m，工作面傾角為4°。工作面間煤柱為30 m，左右邊界各300 m，工作面開采順序為303、305、307、309、311工作面，創建的模型如圖5所示。

根據鉆孔出露地層的巖性特征，按照巖性相近地層較薄地層融合的原則，將該模型地層劃分為18層。 計算模型分為785 680個網格和891 975個節點。 模型邊界條件為：水平位移受前、后、左、右三邊限制，模型下表面限制垂直位移，模型頂部為自由面[18-20]，工作面的煤巖體力學模擬參數見表2。

圖5 數值模擬示意Fig.5 Schematic and simulation diagram

3.2 數值模擬結果分析

工作面開挖后，巖石和沉降位移云圖如圖6所示。根據模擬數據，開挖單個工作面時，地表總位移和沉降值較小，均在200 mm以內。地表最大沉降值為165 mm，位于采空區中心上方對應表面附近。模擬303工作面最大地表下沉值與152 mm的實測結果進行比較，存在一定的誤差，但基本相同。從沉降位移云圖可以看出，煤層頂板以上139～166 m的粗粒砂巖整體性較好，與下巖層不分離，有效抑制了上覆巖層向上發育，表明巖層應該是上覆巖層中的關鍵層。

工作面開挖完成后，沉降盆地觀測線最大水平位移值為609 mm，水平位移系數為0.50，與實測水平位移系數0.493基本相同，如圖7所示。

4 地表沉陷災害防治對策

工作面開挖完成后，地表調查顯示，工作面采空區西北邊界的地表斜坡地面存在數處裂縫。根據現場實測和數值模擬結果，建議工作面間應用間歇順序跳采接替方式，局部限高開采，無煤柱開采方法，應用邊界錯距協調開采布置方式，充填開采和離層注漿等方法有效地減緩災害程度[21]。

表2 工作面煤巖力學參數Tab.2 Coal and rock mechanical parameters of working face

圖6 工作面開采后地表下沉云圖Fig.6 Cloud map of mining surface subsidence at working face

圖7 工作面開采地表位移觀測曲線與模擬曲線Fig.7 Observation curve and simulation curve of surface displacement in mining face

5 結論

本文以陜西某礦4號開采煤層為研究對象，通過地質條件分析和地表移動變形現場觀測，得出非充分采動條件下對地表的沉降規律，并通過FLAC3D模擬進行驗證，得出以下結論。

(1)僅有1個工作面開采時，地表下沉量很小，沉降系數為0.028，沒有對地表的建筑物造成破壞。

(2)如果2個工作面交替開采，地形表面的沉降和變形會顯著增加，沉降系數達到了0.15，但仍屬于非充分采動范圍，不對地表建筑物造成破壞。

(3)開采工作面數量的增多不會增大地表的移動范圍，但會使得地表下沉量和下沉速度顯著增大，這主要是受堅硬頂板的控制。

(4)當采深大于1.5以后，地表進入充分采動狀態，地表建筑物將遭到破壞。

(5)建議工作面間應用間歇順序跳采接替方式，局部限高開采，無煤柱開采方法，應用邊界錯距協調開采布置方式，充填開采和離層注漿等方法有效的減緩災害程度。