深部開采條件下地表沉陷規律研究

余華婷 秦續峰 李云昊 楊榮艷

遼寧大學 遼寧沈陽 110000

近年來,國內大范圍、高強度的煤礦開采導致了礦區巖層和地表出現變形、移動、垮落和裂縫等一系列破壞現象。如煤礦區的開采工作會導致上覆巖層發生沉降,進而引發地表形態的遷移變化,并會對植物的根系造成損傷,使生長在沉陷區的地表植被遭到損毀。因此,探討深部開采條件下地表移動變形、沉陷規律,對于采空區的生態環境治理和穩定發展具有重要的意義,能夠為沉陷區生態恢復提供指導依據。

隨著煤炭開采向深部發展,由深部開采帶來的沉陷問題也逐漸引起國內外學術界的關注。20世紀90年代末,南非政府啟動“Deep Mine”計劃,號召各國深井礦山研究領域的專家進行相關的技術研究,豐富了地表移動變形的理論與研究方法。K.B.Singh等對地表塌陷坑的形成機理以及地表塌陷預測方法進行了研究。于廣明等分析了深井開采地表破壞的復雜性,對深井開采地層再破壞進行了研究。許家林等采用關鍵層理論研究了上覆巖層移動及地表移動變形的控制機理,并提出了考慮關鍵層特征的深部開采沉陷預測方法。李軍民、武治普等通過實測數據對深部極不充分采動條件下地表移動特征進行了分析。劉義新、郭文兵等采用數值模擬的方法研究了深部條帶開采下沉系數與采厚的關系。刁曉鵬等通過對開采沉陷規律的研究,確定了地表沉陷的影響范圍和邊界。這些研究成果在生產實踐中起到了重要的作用,但在大量的實際應用中發現,由于現采用的預測方式較為單一,普遍使用概率積分法對地表沉陷進行預測,缺少對煤層頂板條件、覆巖運移特征等因素的綜合考慮。因此,亟須基于深部開采條件下的覆巖運移規律和機理,預測深部開采地表沉陷規律。本文以某礦西三采區702綜采工作面為工程實例,運用相似材料模擬實驗模擬了深部開采工作面演化的全過程,并采用Abaqus數值模擬軟件進行了輔助驗證與比對,對深部開采地表沉陷規律進行了分析研究,旨在為礦區的地質生態環境災害監測與預警提供理論依據。

1 工程概況

某礦井田面積為49.1km2,礦井主采7#煤層、12#煤層和13#煤層。其中,7#煤層位于山西組底部砂巖之上,為復合煤層,由7-1煤、7-2煤、7-3煤組成。煤層底板高程-1100～-1040m,埋深1060～1122m。西上三采區702綜采工作面位于西三上采區膠帶下山以北,北至7煤層風化帶,東臨北二區7煤采空區及西一區700采空區,西為未采動區。設計長度2418m,可采走向長度2206米,工作面傾斜長度200m,開采深度為1082m,煤層平均厚度2.15m,夾矸厚度1.05m,設計采高3.2m。直接頂主要為黑灰黑色泥質粉砂巖、黑色泥巖與少量灰白、褐色中、細粒石質砂巖互層,平均厚度10.3～13m;基本頂主要為粉砂巖,平均厚度7.6～10m;底板為0.61m厚的泥質粉砂巖與8.88m厚的中砂巖。

表1 采區巖層巖性及厚度

2 702工作面地表沉陷規律相似材料模擬研究

2.1 模型建立

為模擬深部開采條件對覆巖和地表移動變形的影響,建立幾何比為1∶600的相似材料模型,模擬實驗使用的實驗臺尺寸為長×高×厚=1.8m×1.2m×0.2m。

2.1.1 相似材料模擬配比

(1)相似模擬實驗以相似理論為基礎,采用二維平面模型,沿煤層走向對工作面走向剖面進行開挖模擬。模擬模型盡力滿足原型的相似條件,構建與實地情況相似的圍巖及煤層環境。

結合現場實際數據,試驗具體相似比例如下:

表2 模型相似比例

在進行相似材料實驗時,先電子秤稱量出全部所需材料,加入定量的水進行攪拌直至均勻混合。將配置好的材料倒入實驗臺,進行鋪平、砸實后,均勻倒入片狀云母進行分層。按照上述流程將模型堆砌完畢后,將正面擋板全部安裝到實驗臺,讓模型靜置一段時間以干燥定型。

2.1.2 相似材料模擬觀測點布置

2.1.2.1 巖層及煤柱位移監測

模型采用散斑法對覆巖及地表移動進行監測,從模型距地表5cm的巖層處開始布設位移監測點,水平方向與豎直方向監測點間隔為5cm,由上至下依次設置監測線編號,共792個位移監測點,具體位置見圖1。監測設備使用兩臺CCD相機進行拍攝,拍攝頻率為2s/次。

圖1 模型位移觀測點

2.1.2.2 應力監測

使用土壓力盒及應變儀對模型在開采過程中的應力變化進行監測,如圖2所示,在基本頂中水平布置共6個監測點,從左至右依次編為1～6號,相鄰兩監測點間距20cm,其中4號監測點位于預留煤柱位置正上方。在煤層中水平布置共4個測點,從左至右依次變為7～10號。

圖2 壓力監測點布設

2.1.3 開采方案

從模型左側20cm處開切眼開始挖掘,一直向右側推進60cm后停止。留8cm煤柱后繼續從模型右側開始挖掘相鄰工作面,同樣推進60cm后停止挖掘。此次挖掘過程不設停留時間,連續挖掘直至兩工作面開采完畢。

2.2 實驗結果分析

2.2.1 圍巖應力變化規律

本研究對頂板厚度為18m時相似材料模型的基本頂和煤層進行應力監測,得到的圍巖應力變化情況見圖3。

圖3 1～10號測點應力變化曲線

如圖3所示,1～6號測點記錄了左右兩個工作面開采過程中基本頂的應力變化情況,其中4號測點位于兩工作面間煤柱正上方。7～10號測點記錄了左右兩個工作面開采過程中煤層的應力變化情況,其中9號測點讀數始終為0,可能是測試儀器安裝錯誤所導致。

工作面回采初期,受超前支撐壓力的影響,各測點應力開始緩慢增加,并且隨著開采工作的進行,圍巖和基本頂應力呈階梯狀上升趨勢,當推進到測點所在位置時由于煤體被采出形成采空區,出現明顯卸壓效果。由于此時巖層自身的穩定結構未被完全破壞,同時直接頂垮落填充采空區緩解部分卸壓效果,一段時間后基本頂中應力出現繼續升高趨勢,但其增長幅度低于卸壓前,且最大值略小于巖層初始應力。當工作面推進到1號測點位置時,出現卸壓效果此時應力為0.1MPa左右,卸壓持續一段時間后因直接頂發生垮落填充采空區及巖層自身結構影響,應力再次增加,當增加到0.25MPa時基本頂發生垮落,此后直至開采結束測點讀數為0MPa,且發生垮落時應力峰值小于巖層初始應力。3號測點處出現兩次卸壓現象,這可能是由于工作面推進到此處時,因為直接頂發生垮落填充造成第一次卸壓現象,又因為持續的開采擾動在巖層內出現裂隙使3號測點附近巖層結構松散出現第二次卸壓現象,卸壓持續一段時間后又出現應力略微上升,最終直接頂發生垮落,讀數歸零。5號、6號兩測點位置基本頂同時發生垮落,這是由于右側工作面經過6號測點時發生卸壓,當繼續推進到5號測點位置時巖層內積聚能力超過其強度,未出現卸壓而是突然發生垮落并同時連帶6號測點位置基本頂也發生垮落,此現象類似于沖擊地壓災害。

煤柱位置煤層未被采出,直接頂不隨采動發生垮落巖層無法卸壓導致內部應力不斷累積,出現應力高度集中現象。在實際生產中,由于其應力高度集中的特性煤柱附近區域也是沖擊地壓多發地帶,不同形狀的煤柱更可能會受到多方向的應力疊加,應該時刻注意防沖減災。

10號測點為右側工作面煤層位置的應力變化曲線,當推進到該點位附近時,煤層中的應力迅速增大,與基本頂各測點相比由于其直接受到開采擾動影響,應力變化速率較大,因此工作面前方煤壁處也是沖擊地壓災害易發區域。

2.2.2 覆巖移動規律

為了研究開采后地表及覆巖運動情況,本文利用散斑法進行位移監測,處理數據后得到如下地表及覆巖運動曲線圖并進行分析。

圖4 覆巖移動情況

上圖為模型覆巖移動情況曲線圖。從圖中可以看到,距離模型地表最近的1號監測線最大下沉量為0.81mm等同于實際下沉48.6cm,距離模型地表最遠的18號監測線最大下沉量為1.23mm等同于實際下沉73.8cm。

開采過程中貼近地面的觀測線沉降相對不顯著,距離開采煤層較近的第16、17、18號監測線的下沉量明顯大于在同一位置的第1、2、3號監測線下沉量。整體上看,距離煤層越近沉降表現越明顯,下沉值和下沉范圍不斷變大,第1、2、3號監測線下沉曲線較為平緩,第16、17、18號監測線的下沉速度明顯增大,最大下沉值接近。但第18號監測線在450～600mm處下沉曲線的底部呈現水平趨勢,此時采區已達到充分采動。這是由于開采過程中上覆巖層在自身重力的作用下向采空區發生彎曲,同時這一變形趨勢會逐漸向地表方向發展,在發育過程中由于巖層自身的穩固結構這種變形趨勢會逐漸減弱,使地面附近的沉陷量遠小于工作面附近巖層的沉陷量。

同時,800～1000mm位置監測線的沉陷量較周圍兩側均有著明顯區別,這一現象在距開采煤層最近的第18號監測線中最為明顯。這是由于此位置是兩工作面間的預留煤柱區域,上覆巖層結構較為穩定,沉陷量明顯較小。

3 地表沉陷規律數值模擬研究

3.1 計算模型

本文通過Abaqus數值模擬軟件對紅陽三礦西三采區702綜采工作面進行模擬,設計三維地質模型尺寸為3000m×800m×1120m,開采深度1003m,煤層厚度3.2m。根據現場實際地質條件,將模型地層劃分為13層。為了更好地還原工作面頂底板的受力情況,模型在x=0和x=3000的平面邊界處施加了位移約束;在y=0和y=800的平面邊界處施加了位移約束;同時設置模型頂部為自由邊界。

3.2 模擬方案

為了真實地反映深部開采條件下的地表沉陷規律,研究設計了以下的模擬方案:

(1)沿工作面的走向和傾向中央位置設置兩條監測線,走向監測線長度為3000m,傾向監測線長度為800m,如圖所示:

圖5 監測線布置

(2)傾向工作面沿y向布置;沿x向推進開采,起采線為x=300m;開采的步距為100m,共分17次完成開采,工作面總的開采長度為1700m。

3.3 計算結果與分析

3.3.1 地表動態沉陷特征

選取工作面推進100m、300m、600m、900m、1200m、1500m、1700m后的沉降情況進行對比分析,得到模型地表豎向位移曲線圖和地表沿傾向位移曲線圖,如圖6、圖7所示。由圖可知,工作面推進初期,沉陷顯現不明顯,但沉陷速率呈增加趨勢。當工作面推進至900m時,沉陷開始呈現盆地走勢,沉陷量達到20.72cm。隨著推進距離增大,采空區范圍增大形成懸臂梁結構。同時,沉降量最大值增大且最大值點不斷前移,沉陷程度加深且范圍逐漸擴大。由于巖層結構存在一定穩定性,此時應力發生重新分布使巖層運動趨于平緩,沉陷速率不斷減小。當推進到1700m位置采停線處,沉陷量達到最大值30.75cm,沉陷速率不為0,依然處于非充分采動狀態。同時,監測線上同一點位的沉降量隨工作面推進持續增大,沉降量最大值點位于傾向地表400m處,且兩側沉陷曲線近似呈現對稱狀態。

圖6 模型地表沿走向位移曲線圖

圖7 模型地表沿傾向位移曲線圖

3.3.2 地表生態環境影響分析

地表變形對于植被的影響通常分為短期影響和長期影響,其中長期影響主要是由于地表的運移和下沉改變了水文過程,進而影響植被的生存環境,使礦區植被的群落結構發生改變。研究表明,植被多樣性和覆蓋率均受到地表坡度的影響,當坡向數值提高時,區域地表水分蒸發速率加快,導致植被群落生長緩慢或停滯。從高程上來看,沉陷區中心處在降雨徑流的影響下,養分和水分相對充足,草本植被與灌木植被的生物量顯著增加。由此可見,在開采活動與覆巖結構的雙重影響下,紅陽三礦礦區地表持續下沉會導致礦區植被退化,大面積的喬木植被退化為灌木和草本植被,致使礦區植被格局單一化。同時,沉陷低洼區主要以灌木與草本植被為主,隨著高程增加、地勢趨于平緩,喬木類植被開始生長,數量呈現上升趨勢。

結語

隨著人類對資源的需求和采掘機械化程度的不斷提高,淺部資源逐漸枯竭,越來越多的礦井逐步進入深部開采。本文以深部開采條件下的沉陷問題為研究對象,對地表沉陷的機理和預測方式進行了研究,主要得到以下結論:

(1)接近開采工作面的巖層沉降表現更明顯,下沉量和下沉范圍相對較大,同時產生由地表動態變化引起的開裂、離層等現象。從下沉曲線形狀看,近地表處巖層下沉量相對較小,離層現象不顯著。

(2)對于地表固定測點,沉陷速度呈現先增加后減小的趨勢。當采區達到充分采動后,下沉面積仍持續增大,但下沉量最大值不再增加。

(3)隨開采活動的進行,推進到測點所在位置時發生明顯卸壓現象,而后基本頂中應力繼續升高,但小于原巖應力。右側采區由于二次擾動,未出現卸壓直接垮落,此現象類似于沖壓地壓災害。

(4)地表沉陷對植被的影響主要以改變水文條件為前提,發生沉陷后礦區低洼區域養分與水分富足,易培養草本植被與灌木植被;隨著高程增加,可適當栽培喬木植被,以增加礦區植被群落多樣性。