煤礦工作面覆巖移動(dòng)變形規(guī)律預(yù)測(cè)及模擬研究

羅 君

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司東曲煤礦，山西 古交 030200）

0 引言

在煤礦的實(shí)際生產(chǎn)中，隨著工作面的不斷推進(jìn)，在地表上表現(xiàn)變形越來越嚴(yán)重，從而對(duì)其地表的建筑物和耕地造成破壞。為了實(shí)現(xiàn)煤礦的高效高產(chǎn)的生產(chǎn)效果，要求對(duì)工作面的煤炭資源最大限度的利用，需要掌握由于煤炭開采所導(dǎo)致的覆巖的變形規(guī)律[1-3]。目前，有效掌握工作面巖層和地表變形規(guī)律的方法為通過地表移動(dòng)觀測(cè)站對(duì)地表變形特征進(jìn)行觀測(cè)的基礎(chǔ)上，綜合采用數(shù)值模擬分析手段進(jìn)行綜合分析，最終得出較為準(zhǔn)確的覆巖變形參數(shù)及規(guī)律[4-5]。本文將結(jié)合實(shí)踐生產(chǎn)對(duì)某礦21132（全文簡(jiǎn)稱21132）綜采工作面的地表變形規(guī)律進(jìn)行實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬研究。

1 工程概況

本文以某礦21132 綜采工作面為例對(duì)其生產(chǎn)期間的地表移動(dòng)變形規(guī)律進(jìn)行實(shí)測(cè)。21132 工作面為煤礦可開采的7 個(gè)工作面之一，該工作面的走向長度為1 156 m，傾斜工作面的長度為180 m，可采煤層的儲(chǔ)量為189 萬t。該工作面的頂?shù)装鍡l件如表1 所示。

表1 21132 綜采工作面頂?shù)装鍡l件

2 地表移動(dòng)變形規(guī)律實(shí)測(cè)研究

2.1 地表移動(dòng)觀測(cè)站的建立

為掌握21132 綜采工作面在開采期間的地表變形量，需要在現(xiàn)場(chǎng)建立地表移動(dòng)觀測(cè)站。結(jié)合21132工作面的地質(zhì)和煤層條件，并參照《煤礦測(cè)量規(guī)程》中的規(guī)定在現(xiàn)場(chǎng)布置兩條觀測(cè)線，分別走向觀測(cè)線和傾向觀測(cè)線，而且保證上述兩條觀測(cè)線均在地表移動(dòng)盆地的主斷面上，觀測(cè)站的具體參數(shù)如表2 所示。

表2 21132 綜采工作面地表變形觀測(cè)站設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 地表變形實(shí)測(cè)結(jié)果

基于上述搭建的走向和傾向觀測(cè)站對(duì)21132 綜采工作面地表盆地的形成、地表下沉特征、地表傾斜和曲率特征以及地表水平移動(dòng)和變形特征綜合分析的基礎(chǔ)上得到了該工作面走向和傾向觀測(cè)線地表移動(dòng)變形的最大值，觀測(cè)結(jié)果如表3 所示。

表3 21132 綜采工作面地表移動(dòng)變形的最大值

3 覆巖移動(dòng)變形規(guī)律研究

在上述對(duì)21132 綜采工作面覆巖變形實(shí)際測(cè)定的基礎(chǔ)上，本章節(jié)通過構(gòu)建數(shù)值模擬仿真模型，對(duì)其移動(dòng)變形規(guī)律進(jìn)行分析。

3.1 數(shù)值模擬模型的構(gòu)建與驗(yàn)證

為了保證后續(xù)通過數(shù)值模擬仿真模型分析所得的覆巖變形規(guī)律的準(zhǔn)確性，本小節(jié)基于FLAC3D 軟件構(gòu)建數(shù)值模擬計(jì)算模型，并對(duì)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)合21132 綜采工作面的煤巖層地質(zhì)及其現(xiàn)場(chǎng)條件，構(gòu)建如圖1 所示的數(shù)值模擬仿真計(jì)算模型。

圖1 數(shù)值模擬仿真計(jì)算模型

根據(jù)21132 工作面的巖層物理參數(shù)在圖1 中的模型進(jìn)行設(shè)置，并將其劃分為34 200 個(gè)單元，其中包含有37 740 個(gè)節(jié)點(diǎn)。基于圖1 中的數(shù)值模擬仿真計(jì)算模型對(duì)其推進(jìn)800 m 時(shí)地表的下沉值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，以此來驗(yàn)證所構(gòu)建模型的準(zhǔn)確性。地表變形的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖2 所示。

圖2 21132 地表下沉量實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比

如圖2 所示，基于所構(gòu)建的數(shù)值模擬計(jì)算模型對(duì)21132 地表下沉量的模擬值與實(shí)測(cè)值相近，但是存在一定的誤差。導(dǎo)致誤差的主要原因可以歸結(jié)為：21132巖層地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，為了便于計(jì)算對(duì)其模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化；在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)過程中由于操作人員的差異性導(dǎo)致存在一定的測(cè)量誤差。

經(jīng)分析，可認(rèn)為地表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與基于數(shù)值模擬值基本一致，即驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

3.2 覆巖移動(dòng)變形規(guī)律研究

基于上述所構(gòu)建的數(shù)值模擬仿真計(jì)算模型，對(duì)21132 綜采工作面上覆巖的垂直位移和應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行仿真分析。仿真條件設(shè)置：開采長度設(shè)定為1 200 m，采高為10 m，工作面煤層傾角設(shè)定為0，開采深度設(shè)定為620 m。具體如下：

3.2.1 21132 綜采工作面上覆巖垂直位移規(guī)律分析

為詳細(xì)掌握21132 綜采工作面在開采期間工作面的覆巖垂直變形規(guī)律，在分別距離頂板為100 m、150 m、200 m、250 m、300 m 和330 m 設(shè)置6 條垂直位移觀測(cè)站，對(duì)工作面分別對(duì)推進(jìn)200 m、400 m、600 m和800 m 時(shí)不同觀測(cè)站的位移變形情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。以工作面推進(jìn)400 m 為例，對(duì)應(yīng)的在距離頂板不同距離位置的垂直位移變化如圖3 所示。

圖3 工作面推進(jìn)400 m 上覆巖垂直位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

結(jié)合工作面推進(jìn)200 m、600 m 和800 m 對(duì)應(yīng)的垂直位移監(jiān)測(cè)結(jié)果得出如下結(jié)論：隨著工作面的不斷推進(jìn)，上覆巖的垂直位移從下向上呈現(xiàn)為逐漸減少的變化趨勢(shì)，距離采空區(qū)的越近，其覆巖的垂直位移越大，并以采空區(qū)為中心巖層的垂直位移為中心對(duì)稱分布。

3.2.2 21132 綜采工作面上覆巖垂直應(yīng)力規(guī)律分布

同樣以工作面推進(jìn)400 m 為例，對(duì)應(yīng)的21132 工作面上覆巖垂直應(yīng)力的變化如圖4 所示。

圖4 工作面推進(jìn)400 m 上覆巖垂直應(yīng)力變化情況

結(jié)合工作面推進(jìn)200 m、600 m 和800 m 對(duì)應(yīng)上覆巖垂直應(yīng)力仿真結(jié)果得出，在工作面煤層頂板處其垂直應(yīng)力為零；在工作面上方的地表處其垂直應(yīng)力與兩側(cè)的原有地應(yīng)力相近。總的來講，隨著工作面的不斷推進(jìn)，上方覆巖的垂直應(yīng)力范圍不斷擴(kuò)大，對(duì)應(yīng)的地表沉陷盆地范圍也不斷擴(kuò)大。

4 結(jié)論

綜采工作面煤層的開采除了可以獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益外，由于地下煤層的開采對(duì)其巖層的穩(wěn)定性造成破壞，從而導(dǎo)致工作面所在區(qū)域的地表出現(xiàn)不同程度的變形甚至塌陷，嚴(yán)重破壞了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。因此，為了減小由于煤層開采所導(dǎo)致的地表沉陷以及采動(dòng)損害等問題，對(duì)其地表變形規(guī)律的掌握非常重要。本文結(jié)合實(shí)踐生產(chǎn)對(duì)21132 工作面的地表變形進(jìn)行實(shí)測(cè)和模擬分析，總結(jié)如下：

1）根據(jù)21132 綜采工作面地質(zhì)條件和現(xiàn)場(chǎng)條件，分別構(gòu)建了走向和傾向兩個(gè)觀測(cè)線對(duì)地表位移的變形進(jìn)行實(shí)際觀測(cè)，得出了最大下沉值、最大傾斜值、最大曲率值、最大水平移動(dòng)值以及最大水平變形值。

2）通過數(shù)值模擬仿真分析得出，所構(gòu)建的計(jì)算模型準(zhǔn)確可作為后續(xù)模擬研究的模型。

3）通過模擬研究得出：隨著工作面的不斷推進(jìn)，上覆巖的垂直位移從下向上呈現(xiàn)為逐漸減少的變化趨勢(shì)，距離采空區(qū)的越近，其覆巖的垂直位移越大；同時(shí)，上方覆巖的垂直應(yīng)力范圍不斷擴(kuò)大，對(duì)應(yīng)的地表沉陷盆地范圍也不斷擴(kuò)大。