山區復雜地形下地表移動盆地邊界角量參數研究

王比比 譚 毅, 孫 琦 楊偉強 趙高博 徐飛亞

(1.河南理工大學能源科學與工程學院,河南 焦作 454003;2.煤炭安全生產河南省協同創新中心,河南 焦作 454003;3.遼寧工程技術大學建筑與交通學院,遼寧 阜新 123009;4.黃河水利職業技術學院水利工程學院,河南 開封 475004)

研究覆巖地表移動變形規律是評價采動損害程 度、確定采動影響范圍及制定控制措施的基礎。因此,礦山開采導致的地表移動變形規律是國內外煤礦開采損害與保護領域的重要研究方向之一[1]。目前,關于開采引起的覆巖與地表移動規律等方面已有大量的研究成果[2-4],楊建立等[5]從現場監測出發,通過比較相似條件下有無斷層的地表沉陷規律,獲得有無斷層影響下的覆巖破斷規律及移動規律;張廣學等[6]基于鄂爾多斯地區營盤壕煤礦淺埋深厚煤層特點,建立地表移動觀測站進行實測,并分析了該地質采礦條件下地表下沉速度的變化特征;劉文崗等[7]對大采高近淺埋煤層綜采面覆巖運動和地表移動變形規律進行了實證研究;戴華陽[8]較為全面地闡述了覆巖與地表移動變形量的時空關系,給出了各移動變形量之間的數學關系。概率積分法也是研究地表移動變形規律的一種重要手段,已通過大量工程實踐證實[9-11]。郭文兵[12]通過改進計算參數的預計方法,采用全采多工作面疊加預計方法,準確地進行了深部條帶開采地表移動和變形預計;余學義等[13]以陳家溝煤礦為例,對大采深綜放開采方面的概率積分法進行了應用研究;王顯軍等[14]以松河礦區為例,采用顧及山區地形因素和山體滑移影響的改進概率積分法,對山區煤礦開采進行了地表沉陷移動變形預測;趙博等[15]針對山區急傾斜煤層開發出了基于MATLAB 的開采沉陷預計系統并進行了驗證;陸玉根等[16]研究了大采深上覆巖體變形規律;周棒等[17]針對概率積分法在采空區邊緣預計精度不理想的問題,引用概率積分法修正模型并利用遞減步長的果蠅算法對模型參數進行了反演,結合反演得到的概率積分法修正模型參數計算了各觀測點的擬合值,并與實測值進行了對比驗證,對研究特定工作面開采上方地表的移動變形規律具有積極作用。相關研究表明:概率積分法得到的數據與實測值有很好的契合度,可用于指導地表移動變形規律的研究。但不少礦區由于工作面地表情況復雜,因而無法建立常規巖移觀測站獲取監測數據,對該類情形下的地表移動變形規律的研究有待深入。

本研究以山西某礦20210 工作面山區復雜地表地形為工程背景建立地表移動網狀觀測站,依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》(2017)[18](以下簡稱“三下”開采規范),結合概率積分法,對地表移動變形規律及巖層角量參數進行研究。研究成果對于該礦區的保護煤柱設計以及“三下”開采方案和網狀觀測站設計具有一定的借鑒意義。

1 工程地質條件

1.1 工作面概況

研究區位于祁呂賀蘭山字型構造前弧東翼內側,區域地質應力方向大致為NW—SE 向的擠壓。地形復雜,切割強烈,溝谷呈“V”字形。礦井地表植被灌木叢生,特別是20210 工作面更是復雜,工作面上方存在洗煤廠、水文鉆孔及附近存在國家重要線路G309、河溝,而20210 工作面上方叢林密布、灌木叢生不適合建立觀測站(圖1),隨著采礦生產的進行,對地面的影響范圍也會日趨擴大,有必要針對性地研究開采引起的巖層和地表移動規律。

圖1 20210 工作面及觀測站位置地表地形衛星圖Fig.1 Satellite map of surface topography of 20210 working face and observation station

20210 工作面位于2#煤層北部,其西側為20206工作面(已回采結束),東側為20216 工作面。20210工作面呈矩形分布,走向長180 m,傾向長583 m,工作面平均采厚為3.39 m,平均采深為716 m。煤層傾角為5°～10°,為近水平煤層。工作面采用綜采采煤方法開采,全部垮落法管理頂板。20210 綜采工作面鄰近面開采情況及相對位置如圖2 所示。

圖2 20210 綜采工作面鄰近面開采情況及相對位置Fig.2 Mining situation and relative position of 20210 fully mechanized working face and its adjacent working face

1.2 工作面覆巖巖性特征

20210 工作面設計開采煤層屬于2#煤層,黑色,似金屬光澤,以亮煤為主,暗煤次之,半亮型,堅硬,為穩定煤層,f=1～2。覆巖巖性及煤層頂底板情況如圖3 所示。

圖3 906 號鉆孔覆巖巖性特征Fig.3 Lithologic characteristics of overlying rock in No.906 borehole

結合906 號鉆孔柱狀,采用覆巖綜合評價系數計算法,得出的鉆孔覆巖綜合評價系數(P)值為0.5。根據上文分析得出的覆巖綜合評價系數P值,參照“三下”開采規范中巖性綜合評價系數P與巖性影響系數D的對應關系表,該山區復雜地形下20210工作面上覆巖層巖性影響系數D為1.64。由此可知:20210 工作面上覆巖層巖性綜合評定為中硬巖層,為后續概率積分法參數選取提供了參考。

2 實測網狀觀測站地表移動變形規律

為對地表移動變形情況進行全過程監測,結合工作面采礦條件和地表上方實際地形地貌特點,并根據“三下”開采規范,若要準確測量出地表移動變形邊界角量參數,則需獲取工作面上覆地表下沉最大值,該值一般位于主斷面上。由于地表地形復雜,觀測站無法建立在工作面正上方,故而無法直接獲得20210工作面的相關角值參數。因此,在20206 工作面開采完之后,采空區6 個月內對地表無影響的情況下,在20210 工作面地表左側地勢平坦能夠設置觀測站處建立了剖面網狀地表移動觀測站。觀測站共布置了4 條測線,沿工作面推進方向從左到右分別為a、b、c、d線,其中d線距離20210 工作面最近,最先受采動影響。每條測線長為200 m,測點10 個,測點間距約20 m。

20210 工作面從2017 年11 月15 日開始進行第一次全面觀測,獲取了觀測點的初始平面坐標和高程坐標。為準確獲取該地表地形下的覆巖移動邊界角量參數,測量組在回采結束一段時間后,于2019 年6月25 日,對20210 工作面進行了采動穩定后的一次觀測工作。截至2019 年6 月25 日,工作面回采結束下沉穩定后,4 條觀測線分別測量了11 次。根據工作面測線上各測點下沉值繪制了下沉曲線,如圖4 所示。

圖4 沿工作面推進方向觀測線下沉曲線Fig.4 Subsidence curves of the monitoring lines along the advancing direction of the working face

由圖4 可知:隨著工作面開采,測點下沉值會越來越大,最大下沉點也會隨之前移,網狀觀測站測點下沉曲線符合一般下沉規律。本研究于2019 年6 月25 日對20210 工作面進行了采動沉陷穩定后的最后一次觀測數據整理,發現2018 年11 月24 日—2019年6 月25 日這7 個月的時間,覆巖地表移動變形值基本保持一致,表明20210 工作面采動影響已穩定。最后一次觀測時,20210 工作面最大下沉點為D9測點,最大值為473.16 mm。

從圖4(d)可看出,在距停采線位置較遠的測點,地表下沉較小,靠近工作面,下沉曲線變陡。這是由于開采造成大面積垮落,上覆巖層隨著工作面推進位置“隨采隨垮”,繼而影響到地表。上覆巖層這種“隨采隨垮”的特點,使得在工作面開采邊界地表移動變形值會形成一個明顯的分界點,造成下沉曲線較陡。

在圖4(b)沿工作面推進方向b線下沉曲線上可明顯看出,B5～B9點在第7 次觀測之后,下沉值增加明顯,現場觀察發現在B7點附近有人為掘土跡象,在7—8 月雨量豐富的情況下,雨水沖刷導致的測點下沉值明顯增加。

3 地表移動變形預計可行性分析

為了更加明確分析20210 工作面地下開采引起的地表移動和變形值和影響范圍,以及地表建筑物受影響程度,有必要進行地表移動和變形計算。本研究采用概率積分法對20210 工作面開采區域進行地表移動變形預計。該方法是在隨機介質理論的基礎上延伸、簡化、發展而來的一種基于幾何學的開采沉陷預測方法,它形象運用數學公式來表達采動影響和傳播,是沉陷模型、預測參數、算法的綜合體[19-21]。遺傳算法(GA)模擬了自然界生物的選擇和遺傳機制,基本思想是首先產生一組染色體群體,根據適者生存原則,選擇一些染色體通過復制、雜交和畸變產生新的染色體群體,最適應環境的染色體種群是通過進化來尋找的。相關研究表明[22]:GA 算法可以精確地推導出概率積分法參數。

本研究充分融合概率積分法、遺傳算法優勢,提出了一種將RTK 實測結果和概率積分法相結合獲得變形沉降的新算法,具體流程如圖5 所示。

圖5 RTK 實測和GA 推導概率積分方法參數的流程Fig.5 Flowchart of deducing probability integral method parameters by RTK and GA

3.1 預計參數

依據“三下”開采規范,結合經驗取值以及遺傳算法原理,獲得的預計參數最優值見表1。預計所需的幾個參數分別為下沉系數q、水平移動系數b、主要影響角正切tanβ、拐點偏移距s等。

表1 20210 工作面地表移動預計參數Table 1 Prediction parameters of surface subsidence of 20210 working face

3.2 地表移動變形預計結果及對比驗證

根據上述確定的預計參數,對20210 工作面回采穩定后引起的地表沉陷進行預計,其中三維模型預計下沉等值線如圖6 所示。通過插值分析和實測數據來驗證(下沉、傾斜、移動、變形)預計結果的準確性。并通過預計結果、參數擬合得出工作面開采后引起地表移動變形的相關角量參數。

圖6 20210 工作面開采后地表下沉等值線Fig.6 Contour of surface subsidence of 20210 working face

通過插值分析、剖面圖分析,對比網狀觀測點的實測值與預計值的誤差,其誤差范圍見表2,三維模型預計的下沉等高線剖面如圖7 所示。

圖7 三維模型預計下沉等高線剖面Fig.7 Profile of predicted subsidence contour of 3D model

由表2 可知:當工作面開采后,預計值和實測值之間的最大下沉值誤差只有7 mm 左右,其余相對誤差很小,證明了利用GA 算法推導概率積分法最優參數具有可行性。

表2 20210 工作面地表觀測點預計最大值和實測最大值Table 2 Estimated and measured maximum values of surface movement and deformation of 20210 working face

4 剖面線擬合及其分析

為計算出20210 工作面各巖移角量參數,需對工作面進行主斷面剖面線狀觀測線擬合及分析。具體思路為:已知遺傳算法與實測相結合的概率積分法參數最優取值,在20210 工作面主斷面擬合出走向、傾向剖面線狀觀測值,進而得出在20210 工作面主斷面上的剖面線狀觀測站的測點位置;由地表移動變形預計結果和實地觀測數據的一致性可得出20210 工作面上方剖面線狀觀測線及走向、傾向各觀測點的位置及坐標;根據走向、傾向觀測線的下沉曲線、傾斜曲線、水平移動及水平變形結果,并依據各參數取值要求可計算出巖移角量參數。

根據每個時間段各測點的下沉值繪制的曲線如圖8 所示,并對下沉數據進行擬合得出如圖9 所示的下沉曲線,即擬合度R2為0.997 63,較接近1,表明擬合程度較高。

圖8 走向、傾向線下沉曲線Fig.8 Subsidence curves of strike and dip lines

圖9 下沉曲線擬合效果Fig.9 Fitting effects of subsidnece curve

由圖8 可知:隨著工作面推進,下沉值越來越大,最大下沉點也隨著前移,地表移動盆地的范圍和移動量均增加;當到了活躍期后,下沉曲線斜率比較大,下沉劇烈且集中。從圖中可進一步分析出,如果工作面的推進距離達到超充分采動,最大下沉值將趨于一個穩定值,在工作面回采結束后,工作面最終開采形成的地表移動盆地的剖面形狀將趨向于一個碗形。

由前述已知網狀測量結果可知,圖8 所示為非充分采動下的走向、傾向下沉曲線。依據測量值與預計值一致原理,利用Origin 擬合出20210 工作面最大下沉值,結合圖9 所示下沉曲線分析可知,20210 工作面最大下沉值為853 mm。

5 移動盆地邊界角量參數

5.1 移動角

根據地表移動角量參數中的移動角定義,并結合圖7 和圖8,分別求出傾斜、曲率和水平變形的各巖移角量參數值為傾斜3 mm/m、曲率0.2 mm/m2、水平變形2 mm/m 的點。在上山方向上,根據水平變形在邊界處為拉伸變形的一般規律及實測中的水平變形發展規律,通過插值得出水平變形為2 mm/m 的位置,經計算該點位置距軌道巷約287.3 m,考慮到采深約716 m,松散層移動角一般取45°;松散層的厚度約10 m,因此計算出的走向移動角約69.0°。

同理,求取上山綜合移動角,以預計數據為計算基礎。根據水平變形在邊界處為拉伸變形的一般規律及實測中的水平變形發展規律,通過插值得出水平變形為2 mm/m 的位置。經計算該點距工作面上山邊界約227.6 m,由工作面近水平開采,采深約716 m,所以,上山綜合移動角約72.4°,松散層移動角為45°,松散層厚度約10 m,根據移動角定義,計算出的上山移動角約73.1°。

5.2 邊界角

根據邊界角定義,結合下沉值以及預計等值線圖,采用插值法計算得出邊界點距離軌道巷約432 m,工作面平均采深約716 m,因此,可以計算出走向綜合邊界角約58.9°。如果考慮松散層移動角,按45°計算,松散層厚度取10 m,根據邊界角定義,可以計算出走向邊界角約59.4°。同理,求取上山綜合邊界角,結合預計下沉等線圖和下沉曲線擬合圖,選出下沉10 mm 的點到上山邊界的距離約267.3 m,上山采深約716 m,故可求得上山綜合邊界角約69.5°。如果考慮松散層移動角,按45°計算,松散層厚度取10 m,根據邊界角定義,可以計算出上山邊界角約70.3°。

5.3 充分采動角

從預計下沉等值線可知,最大下沉點到工作面開切眼的距離約424 m,平均采深約716 m。根據地表移動角量參數中充分采動角的定義,傾向充分采動角取值約59.3°。

6 結語

針對地表復雜的山區地形特征,以山西山區某礦20210 工作面為例,提出了“以點求面”方法,依據遺傳算法(GA)與RTK 實測結果,研究了復雜地形下地表移動盆地邊界角量參數的取值思路。研究得出地表移動角量參數為最大下沉值853 mm,走向移動角59.0°,上山移動角73.1°,走向邊界角59.4°,上山邊界角70.3°,充分采動角59.3°,最大下沉角83.6°。