老君堂煤矿三下煤层地表沉陷规律研究

申明文

(郑煤集团嵩阳煤业有限公司)

老君堂煤矿三下煤层地表沉陷规律研究

申明文

(郑煤集团嵩阳煤业有限公司)

豫西“三下”煤层赋存条件不稳定，地质构造复杂，通过对老君堂煤矿不稳定煤层地表沉陷特征分析和沉陷规律总结，运用FLAC3D软件对不同开采条件下地表沉陷进行模拟，得到了不同开采厚度时的地表移动和变形规律，研究结果为开采及地表建(构)筑物保护提供了技术依据。

不稳定煤层 数值模拟 走向 倾向 沉陷规律

我国矿井“三下”(建筑物下、水体下、铁路下)压煤量100多亿t，其中建筑物下压煤80多亿t，居“三下”压煤之首[1]。在一些矿区，随着开采进入后期，可采煤炭资源逐步枯竭，建筑物下采煤问题更为突出，如果得不到有效解决，矿井服务年限将大大缩短。针对稳定煤层的地表沉陷规律及变形预计问题，国内外学者已经进行了大量的研究，并取得了一些成果[2-3]。但在不稳定煤层条件下开采引起的地表移动和变形规律不同于一般条件下特征，给开采沉陷研究和地表建(构)筑物的保护等诸多方面带来了新的挑战[4-5]。

1 工程地质条件

老君堂煤矿主采二1煤，该煤层厚度变化大，具有突然增厚变薄现象，且局部存在无煤带。21081工作面分为A、B、C 3个工作面开采。3个工作面走向长130～170 m，倾斜长75～80 m。煤层最厚为8 m，最薄处仅为0.1 m，平均煤层厚4.1 m，煤层倾角变化大，20°～45°，平均倾角为30°。工作面直接顶为断层破碎带，上部以粉砂岩和砂岩为主，下部以泥岩为主，厚7.23 m；老顶为泥岩，厚4.5 m；直接底为细粒砂岩，厚3.7 m；老底为石炭系太原组地层，以石灰岩、泥岩和砂岩为主。

2 地表移动变形规律分析

首先研究主断面上的地表移动和变形。主断面是过最大下沉点所做的沿煤层走向或倾向的垂直断面，在主断面上，地表移动量、变形下沉量最大。在移动盆地主断面上设置观测点，通过观测工作面开采过程中各测点的高程和平面坐标，通过计算各点的移动和变形，掌握地表移动和变形规律。

21081工作面于2011年12月2日建立地表移动观测站，进行了首次全面观测，此次作为起算数据，2012年3月17日开始进行日常水准观测，到2012年10月18日，走向方向和倾向方向各进行了3次水准测量工作。

2.1 地表下沉特征分析

在工作面走向与倾斜方向上各设置一条观测线，经过对各测点下沉值所测数据进行统计，并绘制走向及倾向的下沉曲线，见图1。

图1 地表下沉曲线

从图1可以看出，当非充分采动时，随着工作面的推进，走向方向和倾斜方向地表下沉值逐渐增加，走向方向的最大下沉点位于工作面以内，逐渐前移并稳定，倾斜方向的最大下沉点不像一般条件下偏向下山方向，而是位于上山边界。最大下沉点附近曲线斜率比较大，表现为下沉剧烈且集中。

2.2 地表倾斜特征分析

根据工作面走向及倾向方向上各测点所求的倾斜值绘制倾斜曲线，见图2。

图2 地表倾斜曲线

从图2可以看出，随着工作面的推进，走向方向和倾斜方向倾斜值均逐渐增加，且曲线符合一般条件下的分布规律，即从盆地边界到拐点间倾斜逐渐增大，拐点到最大下沉点间倾斜逐渐减小，在最大下沉点附近处倾斜为零，在拐点处倾斜最大，有2个相反的最大倾斜值。

3 数值模拟

由于老君堂煤矿以后工作面一次性开采完，工作面中间不存在薄煤带，因此，为了简化模型，同时使数值模拟结果为以后工作面建筑物下采煤提供参考，本次模拟以21081工作面地质条件为基础建立模型，工作面采深为345 m，倾斜长75 m，走向长546 m，倾角取30°，Y轴为煤层走向，X轴为煤层倾向，Z轴为铅垂方向。模型尺寸为1 600 m×800 m×457 m(长×宽×高)。煤层厚0.1～8 m，平均开采厚4 m。为了研究不同开采厚度21081工作面地表移动规律，建立4个模型，煤层厚度分别为2，4，6，8 m，工作面走向方向推进800 m，边界煤柱留设400 m，其余条件相同。在模型地表上设置一条测线，统计测线上不同采厚时下沉数据，并用Tecplot处理，可以绘制出不同采厚走向主断面下沉曲线，见图3。通过数值模拟获取不同采厚地表最大下沉值和下沉系数，见表1。

图3 不同采厚地表下沉曲线

表1 不同采厚数值模拟结果

由表2可以分析得出开采厚度m与地表最大下沉值W、下沉系数q的回归曲线，见图4、图5。

图4 地表最大下沉值与开采厚度的关系

图5 下沉系数与开采厚度的关系

从图3、图4可看出，其他条件一定时，随着开采厚度的增加，地表最大下沉值近似线性增加。开采厚度是影响地表下沉的主要因素，随着开采厚度的增加，垮落带和断裂带的发育高度越大，甚至可能发育到地表，在地表造成剧烈的破坏，产生较大的下沉。

从图5可以看出，随着煤层厚度的增加，下沉系数按幂指数形式增加，但增加幅度逐渐减小。即对于老君堂矿区地质条件，其下沉系数是近似一定的，不随着开采厚度的变化而有较大变化。

因此，当其他条件一定时，开采厚度对地表移动和变形的影响程度很大，当开采厚度较大时，地表下沉值就较大。在建筑物下采煤时，如果煤层厚度过大，可以采用分层开采，控制每一分层的采厚，则地表下沉比一次采全厚时小的多，减小较大下沉对建筑物的不利影响，使建筑物受到的损害在承受的范围内或者受到的损害程度较小。

4 结 论

(1)不稳定煤层开采条件下地表移动和变形规律总体符合一般开采条件下地表移动和变形的规律，但也有其独特性,即走向方向下沉曲线变化比一般稳定煤层开采的下沉曲线陡，煤厚较小时，下沉较小，煤厚大的地方下沉突然变大；倾斜方向下沉曲线最大下沉点不像一般开采条件下偏向下山方向，而是在上山边界处。

(2)开采厚度是影响地表移动破坏的主要因素。地表最大下沉值随着开采厚度的增加而增加，下沉系数随着采厚的增加按幂指数形式增加，但增加幅度逐渐减小。

[1] 郭文兵,谭志祥,柴华彬，等.煤矿开采损害与保护[M].北京:煤炭工业出版社,2013.

[2] AMBROZIC T, TURK G. Prediction of subsidence duetounderground mining by artificial neural networks [J] .Computers & Geosciences,2003(29):627-637.

[3] 李春意,崔希民,郭增长,等.矿山开采沉陷对土地的影响[J].矿业安全与环保,2009,36(4):65-68.

[4] 张宏贞,邓喀中,谭志祥.老采空区残余移动变形分区研究[J].矿山压力与顶板管理,2005,22(2):32-34.

[5] 隋旺华,陈 奇.简论煤层开采沉陷土体变形的研究意义、现状、机理及预测方法[J].中国地质灾害与防治学报,1995,6(1):1-7.

2014-12-11)

申明文(1986—)，男，助理工程师，452470 河南省登封市中岳大街16号。