典型巨厚砂泥巖互層條件下深部近水平開采地表沉陷演化規律

孫 杰,孫鴻昌,郝 喆,越 智,張耀君

(1.遼寧大學 環境學院,遼寧 沈陽 110036; 2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順 113122;3.內蒙古仲泰測繪技術有限公司,內蒙古 鄂爾多斯 017000)

在我國煤炭資源仍處于能源消費中的主要地位,并且在未來較長時間內這種能源結構仍會持續[1]。煤層開采過程中,煤層頂底板所受應力超過其強度極限,導致煤層頂底板發生移動變形、彎曲、斷裂、垮落等現象,上覆巖層受該現象影響發生移動變形,這種移動變形逐漸波及地表,最終導致地表沉陷,形成沉陷盆地。煤礦開采引發的地表沉陷問題是礦區環境破壞的源頭,不僅會破壞井田周圍的環境,也對周邊人民的生命安全和經濟發展產生嚴重影響[2]。隨著煤炭需求的增加,煤礦越來越多地轉向深部開采,而深部開采導致煤層巖體力學性質發生改變,地表沉陷呈現出與淺部開采不同的時空演化規律[3]。受到深部開采的高集中應力、高地應力及高巖溶水壓等情況的影響,深部采動的巖體具有復雜的非線性力學行為[4-6]。在深部開采的工況下,地表沉陷受到覆巖層特性的影響更為明顯,一般來講,礦層埋深越大,巖層形變擴展到地表所需的時間愈長,地表形變愈小,且較為平緩,而地表沉陷盆地的范圍增大,若對于厚度大的堅硬巖層,深部開采甚至長期不產生地表變形,而對于強度較低的巖層,則可能產生較大的地表變形。東勝煤田是中國已探明的最大煤田,位于中國最大聚煤盆地鄂爾多斯盆地腹地。紅慶河煤礦屬于鄂爾多斯盆地東勝煤田紅慶河井田,砂巖和泥巖為本區煤層賦存的主要圍巖種類,探討典型巨厚砂泥巖互層條件下深部近水平開采地表沉陷演化規律,具有重要的現實意義。

David R.Cope[7]對深部開采實測數據進行研究,認為深部采動引起的地表移動和變形是連續的、緩慢的且周期性較長;Wang等[8]將地表沉陷與覆巖移動作為整體來分析,發現覆巖裂縫拱的發展與地表沉陷速率具有較大相關性,且實驗數據表明地表移動存在增速段、高速運動段、減速運動段;Li等[9]發現在軟巖下深部開采,地表沉陷的影響范圍隨著工作面的推進而不斷擴大,在距采空區800 m處地表水平移動的增長速度比地表沉陷的增長速度要快;張國建[10]使用模型試驗及數值模擬的方法,通過研究巨厚弱膠結覆巖下的深部開采,明確了深部開采下地表沉陷偏小的影響因素;彭林軍等[11]將數值模擬和結構力學模型的結果進行對比,研究盆地水平煤層深部采動下的地表沉陷;翁麗媛[12]以古城煤礦深部條帶開采為例,研究了深部條帶開采下的覆巖與地表沉陷規律。

綜上,國內外在深部開采導致地表沉陷及覆巖移動方面開展了較深入的研究,獲取了某些地層條件下的地表沉陷變化規律。但對于專門針對深部巨厚砂泥巖互層條件下近水平開采地表沉陷研究尚未見開展。為此,本文以紅慶河煤礦3-1501大采高綜采工作面為例,研究典型巨厚砂泥巖互層條件下深部近水平開采地表沉陷演化規律,為典型巨厚砂泥巖互層區域的煤炭開采地表沉陷分析和預測提供依據。

1 研究區域

紅慶河煤礦處于內蒙古自治區伊金霍洛旗境內,該區域上覆巖層為泥巖、砂質泥巖和砂巖等,其中以淺灰、灰綠、棕紅、灰紫色泥巖及砂巖為主,砂泥巖巖層厚度達700 m以上,具有典型巨厚砂泥巖互層的特性。區域地層分布見表1。

表1 紅慶河煤礦區域地層Tab.1 Strata in Hongqinghe Coal Mine area

紅慶河煤礦設計生產能力800萬 t/a,目前主采3-1煤層。作為3-1煤層五采區的首采工作面,3-1501工作面對應的地表區域呈東北高、西南低的地形特征,其走向長度為3 500 m,傾向長度為300 m,平均采深為798 m;開采方式為綜合機械化開采,煤層厚度最大為7.5 m,最小為6.1 m,平均開采厚度為6.75 m,煤層傾角1°左右,具有巨厚砂泥巖互層條件下深部近水平開采的特征。

2 模型建立

2.1 煤巖參數確定

巖層層位根據紅慶河煤礦的煤層和頂底板情況以及綜合地質柱狀圖確定,鑒于真實地層較為復雜,且含有大量夾層,故對真實地層作適當簡化[13]。模型整體從上至下依次為表土層、灰紫色泥巖、砂質泥巖、紫紅色泥巖、砂質泥巖、粗粒砂巖、細粒砂巖、煤層、砂質泥巖、細粒砂巖、粉砂巖、砂質泥巖。統計表明,工作面上覆巖層中的砂巖和泥巖巖層厚度達到780 m以上。數值模擬模型巖層分布情況及相關物理力學參數見表2。

表2 巖層分布及物理力學參數Tab.2 Rock distribution and physical and mechanical parameters

2.2 模擬區域確定及建模

根據實際工作面條件,煤層平均采厚為6.75 m,平均采深為798 m,采區工作面傾向長度為300 m,走向長度為3 500 m。依據表2的巖層劃分結果,采用FLAC3D建模,選取Mohr-Coulomb本構模型。確定模擬區域向采區邊界延伸200 m,建立模型尺寸3 900 m×700 m×998 m,傾向工作面沿y向布置,沿x向推進開采。模型共347 718個節點,232 171個單元,煤層和地表層已進行網格加密處理,計算模型如圖1所示。

圖1 數值模型Fig.1 Numerical model

邊界條件約束如下:①模型左右邊界施加水平約束,邊界水平位移為0;②模型底部邊界水平、垂直初始位移均為0;③模型頂部為自由邊界。

3 地表沉陷規律分析

3.1 地表沉陷盆地特征

初始地應力平衡位移等勢如圖2所示。將初始位移清零后,對模型進行開挖處理,開采結束后的地表沉陷及巖移形態如圖3所示。由圖3可知,當開采活動結束后,地表呈現沉陷盆地走勢,其影響范圍波及整個采空區上方;從走向來看,呈現出采空區左右兩側沉陷小,中間沉陷大的現象,最大地表下沉量出現在采空區中心位置,最大沉陷量61.01 cm,最小沉陷量為24.24 cm;從傾向來看,呈現出采空區前后兩側沉陷小,中間沉陷大的現象,整體關于采空區呈現對稱狀態。

圖2 初始地應力平衡位移等勢圖Fig.2 Initial in-situ stress equilibrium displacement equipotential

圖3 開采結束后地表沉陷Fig.3 Surface subsidence after mining

3.2 地表沉陷演化規律

選取模型走向地表中心線為沉陷量監測線,分別將不同工作面推進距離下的地表沉陷量繪制成地表沉陷曲線,得到的走向地表垂直位移曲線如圖4所示;根據煤層開采引起的超前影響現象,計算出不同工作面推進距離下的超前影響距和超前影響角,如圖5所示。

圖4 走向地表垂直位移曲線Fig.4 Vertical displacement curve toward the surface

圖5 走向超前影響距及超前影響角Fig.5 Leading influence distance and leading influence angle

由圖4、圖5可知,工作面推進350 m時,地表沉陷量很小,僅為10.61 cm,地表下沉現象并不顯著,但此時已產生超前影響現象,超前影響距為665 m,超前影響角為50.19°;當開采活動推進至700 m時,地表開始呈現盆地走勢,此時地表最大下沉量為22.46 cm,超前影響距為687 m,超前影響角為49.24°,地表最大下沉量明顯增加,說明在該段工作面推進時,對地表沉陷現象產生較大影響;工作面推進700～3 150 m時,地表最大沉陷量逐漸增大,超前影響角逐漸增大,而超前影響距逐漸減小,開采活動對地表沉陷的超前影響現象逐步減弱;當開采結束后,地表沉降量最大,為61.01 cm。

為進一步驗證地表沉陷模擬結果的可靠性,現場采用UAV激光雷達進行了沉陷觀測并繪制等值線如圖6所示。可見,現場實測地表最大沉陷量為64.00 cm,而數值模擬的地表最大沉陷量為61.01 cm,與實測值誤差為4.90%,滿足精度要求。

圖6 現場實測下沉等值線Fig.6 Subsidence contour was measured on site

為了得到工作面推進距離與走向地表沉陷量的準確關系,將不同推進距離時的走向地表沉陷量進行擬合處理,得到的擬合曲線如圖7所示。

圖7 地表沉陷量與工作面推進距離擬合曲線Fig.7 Fitting curve of surface subsidence and advancing distance of working face

經過擬合處理,得到走向地表沉陷量與工作面推進距離的函數關系式為:

y=-6.369 8×10-6x2+4.019 0×10-2x-2.460 0

(1)

式中,y為走向地表最大沉陷量;x為工作面推進距離。

上述擬合結果顯示,擬合曲線的R2達到0.999以上,具有很高的置信度,因此根據上式可對走向地表沉陷量進行預測,可為深部開采下地表沉陷相關問題的分析提供可靠依據。

3.3 地表沉陷變化量規律

繪制的地表沉陷變化量及每開采100 m地表沉陷量的柱狀圖如圖8所示,圖8中沉陷變化量為開采間距350 m下的走向地表沉陷變化量。

圖8 走向地表沉陷變化量及開采每百米沉降量Fig.8 Change in strike surface subsidence and mining subsidence per 100 meters

由圖8可知,工作面推進0～700 m時,地表沉陷變化量增大。工作面推進350 m較未開采時地表沉陷量增加了10.61 cm,在0～350 m內,工作面每開采100 m地表沉陷量增加3.03 cm;工作面推進700 m較350 m時,地表沉陷量增加了11.85 cm,在350～700 m內,工作面每開采100 m地表沉陷量增加3.39 cm,說明在此階段內,工作面向前推進會加劇對走向地表沉陷的影響。而在工作面推進700～2 800 m時,地表沉陷變化量逐漸減小,工作面每開采100 m的地表沉陷量也逐漸減小,說明在此階段內,開采活動的進行對地表沉陷的影響逐步減弱。在工作面推進3 100 m較2 800 m時及工作面推進3 500 m較3 100 m時,地表沉陷量僅分別增加了0.84、0.67 cm,而在工作面推進2 800～3 150 m以及3 150～3 500 m內,每開采100 m地表沉陷量分別僅為0.24、0.19 cm,可知此時開采活動對走向地表沉陷的影響很小。

可知,當工作面推進700 m時,地表沉陷變化量持續增加,在700 m處達到最大值,繼續向前推進直至開采活動結束,沉降變化量不斷減小。這是由于在最初開采時,原本已處于應力平衡狀態的地層由于開采擾動發生了較大的應力變化,而開采一段距離后,巖層依靠自身結構的穩定性,使應力重新分布并使巖層運動趨于平緩,在工作面推進700 ～3 500 m時,地表沉陷變化量不斷減小。當工作面推進至2 800 m后,即工作面推進距離達到3.51倍煤層埋深后,地表沉陷變化量很小,每開采1 m僅變化0.002 cm,說明工作面接近甚至已達充分采動狀態,下沉系數為0.09,其下沉系數較淺部開采更小,隨后繼續開采,地表沉陷現象不明顯甚至不再發生沉陷。煤層淺部通常工作面推進距離達到1.2～1.4倍埋深后即可達到充分采動狀態,而深部巨厚砂泥巖下大采高綜采工況下達到充分采動時的工作面推進距離與煤層埋深比值更大。

4 巖層移動規律分析

4.1 頂板及底板位移變化特征

開采活動會打破原有巖層應力的平衡狀態,造成頂板和底板的位移,使得頂板下沉量不斷加大,底板不斷隆起,這一現象會不斷向上發育,當這一運動傳遞到地表附近時,就會引起地表沉陷,因此研究直接頂和直接底的移動規律可以更加直觀有效地表現出地表沉陷的過程。直接頂和直接底的垂直位移曲線如圖9所示。

圖9 工作面直接頂、直接底垂直位移曲線Fig.9 Vertical displacement curve of direct roof and direct bottom of working face

由圖9可知,從開采活動開始到開采結束,煤層頂板不斷向采空區方向發生彎曲下沉運動,煤層采空區附近的底板不斷向上隆起,當工作面推進350 m時,頂板最大沉陷量為60.34 cm,底板隆起量最大值為21.88 cm;當工作面推進700 m時,頂板彎曲現象發育至更上層,最大沉陷量為86.80 cm,較上一階段變化量為26.46 cm,底板最大隆起量為25.12 cm,變化量為3.24 cm;當工作面推進1 050 m時,頂板最大沉陷量為108.21 cm,變化幅度為21.41 cm,底板最大隆起量為25.24 cm,底板位移變化量很小,僅增加了0.12 cm;當工作面推進1 400 m時,頂板最大沉陷量為124.86 cm,變化幅度為16.65 cm,底板最大隆起量為25.39 cm,較上一階段僅增加了0.15 cm,說明底板隆起量基本不再增加,只隨工作面的推進而沿開采方向發育;當工作面推進1 750、2 100、2 450、2 800、3 150、3 500 m時,頂板最大沉陷量分別為137.38、145.09、149.68、156.55、159.06、164.21 cm,沉陷變化量分別為12.52、7.71、4.59、6.87、2.51、5.15 cm,底板隆起量分別為25.55、25.99、26.17、26.27、26.42、26.64 cm,變化量分別為0.16、0.44、0.18、0.1、0.15、0.22 cm。

由此可知,在整個開采活動推進的過程中,頂板沉陷量與底板隆起量不斷增大,當開采活動結束后達到最大值。工作面推進距離為0～700 m時,頂板沉陷變化量不斷增加,底板隆起變化量在此階段最大,工作面推進距離為700 m～3 500 m時,頂板沉陷變化量基本呈不斷減小的趨勢,底板隆起變化量也基本呈不斷減小的趨勢,這與前文分析的地表沉陷變化量趨勢具有高度一致性。

4.2 地表沉陷—頂板移動的相關性

為進一步分析地表沉陷與工作面頂板位移的關系,繪制地表沉陷量與直接頂下沉量的曲線如圖10所示,地表沉陷量與直接頂下沉量比值變化的曲線如圖11所示。

圖10 地表沉陷量與直接頂下沉量Fig.10 Surface subsidence and direct roof subsidence

圖11 地表沉陷量與直接頂下沉量的比值變化曲線Fig.11 Variation curve of the ratio between surface subsidence and direct roof subsidence

由圖10可知,隨著開采活動的向前推進,煤層直接頂下沉量和走向地表沉陷量不斷增大,且其增長趨勢呈現出高度的一致性,說明地表沉陷量的大小與直接頂下沉量的大小具有很強的正相關性。根據曲線斜率可知,工作面推進0～2 100 m時,煤層直接頂下沉速率較大,此時地表沉陷速率也較大,此時地表沉陷量與直接頂下沉量的比值呈現不斷增大的趨勢,這是由于深部采動地表沉陷出現滯后的現象;在工作面推進2 100～3 500 m時,直接頂下沉速率逐漸減小,地表沉陷速率也不斷減小,地表沉陷量與直接頂下沉量的比值趨于穩定,在0.37～0.38。在工作面推進2 800 m以后,地表沉陷量幾乎不再增加,表明此時煤層已達充分采動狀態。

5 結論

(1)深部開采地表沉陷演化規律為:當工作面推進2 800 m時,煤層已達到充分采動狀態;開采結束后,沉陷盆地整體關于采空區呈現對稱狀態,數值模擬地表最大沉陷量為61.01 cm,與UAV激光雷達現場觀測結果對比,誤差為4.90%;沉陷量與工作面推進距離呈二次函數關系,地表沉陷的速度隨著工作面的推進呈現出先增大后減小的趨勢。

(2)深部開采條件下的頂底板巖層移動特征為:頂板沉陷變化量在工作面推進800 m前不斷增加,底板隆起變化量在此階段最大,工作面繼續推進直至開采結束,頂板沉陷變化量和底板隆起變化量基本呈不斷減小的趨勢。

(3)深部開采下頂板下沉與地表沉陷的相關性特征為:在工作面開采至2 100 m前,深部采動下地表沉陷出現滯后的現象,地表沉陷量與頂板下沉量的比值呈現不斷增大的趨勢;在工作面推進2 100 m至開采結束,地表沉陷量與頂板下沉量的比值趨于穩定,在0.37～0.38。