厚火成岩下采煤地表移动规律研究

韩永斌 高均海

(中煤科工集团唐山研究院有限公司,河北 唐山 063012)

厚火成岩下采煤地表移动规律研究

韩永斌 高均海

(中煤科工集团唐山研究院有限公司,河北 唐山 063012)

在厚火成岩下采煤,因火成岩硬度大，不易冒落而容易诱发冲击性地质灾害。为了研究火成岩下开采沉陷规律，解决火成岩下开采地面破坏及建筑物保护问题，建立了地表移动观测站。根据火成岩厚度分布情况，结合数值模拟计算，确定了煤层开采后火成岩随下伏岩层呈整体下沉。利用岩移预计软件计算无火成岩条件下地表变形，与实际观测结果对比,分析火成岩下采煤地表移动规律。

火成岩 观测站 岩移规律 数值模拟 概率积分法

在厚火成岩下采煤后，由于火成岩具有硬度大，不易断裂的特点,其上覆火成岩几乎没有较大移动，从而使地表移动变形较小。但随着开采面积的不断扩大，火成岩内应力逐渐积累，当开采引起的弯曲应力达到或超过火成岩自身强度极限时，火成岩岩体将产生突发性断裂和大面积垮落，岩层移动会迅速传递至地表，有可能引发冲击性地质灾害[1],使地表建(构)筑物受到严重威胁。这是一个十分复杂的过程，它受地质采矿条件的直接影响。为了研究厚火成岩下采煤地表沉陷这一复杂过程，通过建立地表移动观测站，获得厚火成岩下采煤地表移动数据，结合观测数据、地质勘探资料及数值模拟等手段，研究火成岩下采煤地表沉陷规律。为保护地表建(构)筑物的安全及类似地质条件下的开采提供科学依据。

1 工程概况

某矿井地层有火成岩侵入，主要为辉绿岩，厚度0～200 m。火成岩多以岩床形式侵入到煤层或顶底板中，少部分以岩墙形式侵入，以断层为主要侵入通道。区内煤层局部块段被火成岩吞蚀，出现接触性变质。火成岩硬度较大，其硬度系数介于15～20。开采区上方有村庄分布，采矿将对村庄造成影响。火成岩与煤层、村庄的垂直位置关系见图1，水平位置关系见图2。矿井采用走向长壁采煤法，自然垮落法管理顶板。

主要开采7煤和9煤， 7煤平均倾角为8°，煤厚4.0 m，采深590 m；9煤平均倾角为8°，煤厚2.5 m，采深640 m。煤层顶板岩性以泥岩、炭质泥岩、粗砂岩、细砂岩为主，多为复合顶板，部分块段有辉绿岩侵入。顶板多为泥质胶结，吸水性强，易风化、松散。底板岩性多为细砂岩、粉砂岩，颜色呈灰、灰白色，局部有辉绿岩侵入，岩性以泥质胶结为主，吸水性强，易风化、遇水膨胀。

图1 开采区域剖面图

图2 开采区域平面图

2 地表移动观测

2.1 观测站概况

研究地表移动规律是进行建筑物下采煤设计的关键[2],而获得地表移动特征的最直接手段就是建立地表移动观测站。为了掌握火成岩上方地表移动情况，在开采区域建立了地表移动观测站，共计布置3条观测线，主要沿道路和村庄内街道布设，分别为A测线、B测线和C测线。测点平均间距为25 m，A测线的控制点位于测线南端，B、C测线的控制点位于测线西端，均位于预计开采影响范围以外，测线位置见图2。所有控制点和工作测点全部采用现场浇铸的方法建造，A测线共埋设测点31个，全长1 491 m，B测线共埋设测点46个，全长1 614 m，C测线共埋设测点28个，全长1 650 m。

2.2 观测结果

观测站自建立完成后每个月进行1次全面观测，至末次观测时止，共计进行了27次全面观测。对比测点的下沉趋势及下沉速度可推断，观测站的移动与变形正逐渐趋于稳定。观测结果很好地反映了地表随时间变化的特征，数据成果可靠。根据首、末次观测数据绘制3条观测线的实测下沉曲线，如图3。并选取部分测点不同时点的观测水平变形值列于表1中，下沉速度列于表2。

图3 观测站下沉曲线图

表1 测点观测水平变形值

表2 测点下沉速度

2.3 地表裂缝观测

为了确保地表建筑物的安全，除设置观测站以外，还对地表出现的裂缝进行了测量，在地表共出现了3条大裂缝，2条位于工作面的正上方，宽0.2～0.3 m，另1条位于井田西边界上方，处于正常开采影响范围外。其裂缝宽度达1.0 m，走向南北，长约570 m，裂缝两侧已形成600～700 mm高差的台阶。

2.4 观测数据分析

由表1 可知， b20点的各次观测变形值明显减小，该点为有无火成岩的分界点，火成岩上方测点变形小，在无火成岩分布处地表变形大，这充分反映了2种不同岩层的地表移动变形特点。由表2可知，各测点随着时间的推移，其下沉速度明显减小，表明测点移动逐渐趋于稳定；b21、b23、b26测点下方的火成岩厚度逐渐增大，其观测的下沉速度逐渐减小，表明了地表移动受到了火成岩的控制，火成岩越厚，地表下沉速度越小。

采用概率积分法，利用矿井已有预计参数，按照无火成岩条件下，预计B测线的地表变形值。B测线预计地表最大下沉值为4 150 mm，而实际观测最大下沉值为3 340 mm。实际观测下沉曲线与预计下沉曲线形态相似，下沉量明显减小，充分表明火成岩下开采沉陷规律依旧符合概率积分法，且由于火成岩的存在，地表下沉量明显减小。

通过对观测数据的整理分析，A测线的a15测点处对应的火成岩厚度为10 m，该点的地表观测下沉值出现了显著减小；B测线的b20～b37号点位于火成岩的正上方,火成岩厚度在3 m以内，地表下沉明显受到控制，但还依旧呈现连续状态；C测线上方均有火成岩分布，且厚度在10～70 m之间，其观测地表最大下沉值仅为160 mm，并呈整体下沉。这充分证明了火成岩的厚度直接影响了地表变形值。可以确定，上覆火成岩的厚度直接影响到概率积分法预计参数中的下沉系数的大小。火成岩越厚，对应的预计参数中的下沉系数就应该越小。

3 数值模拟计算

3.1 模型建立

为了分析火成岩下开采后，岩层的变化情况，采用FLAC3D软件进行数值模拟计算。数学模型以矿井2号勘探剖面线地质采矿条件为原型，建立平面应变数学模型，模拟煤层为7煤层，为缓倾斜煤层，平均倾角为8°，数学模型按水平煤层考虑，模拟工作面平均采深590 m，建立数学模型。模型中均采用Mohr-Coulomb屈服准则判断岩体的破坏，并均不考虑塑性流动。模拟采用的煤岩体力学参数见表3。

表3 岩层的物理力学参数

3.2 模拟结果分析

模拟开采7煤4个工作面的结果见图4煤层开采后水平方向应力云图和图5煤开采后塑性区分布图。数值模拟结果表明，当回采工作面进入火成岩岩体下方时，火成岩体应力明显集中，由于火成岩体厚度较大，强度较高，对上覆岩体的移动和变形起到了控制作用。而7煤层顶板强度较低，工作面回采后顶板岩体逐渐垮落，垮落岩体的碎胀系数大于1，随着工作面推进距离的增加，垮落岩体逐渐承受支撑压力，此时火岩岩体没有达到极限破坏强度，没有发生断裂性破坏，地表没有发生明显的下沉。

图4 煤层开采后水平方向应力云图

图5 煤开采后塑性区分布图

根据数值模拟结果及导水裂隙带相关公式计算，火成岩体位于煤层开采导水裂隙带之上，处于弯曲带范围内。随着煤层开采范围的增加，煤层上覆岩体逐步垮落，由于垮落岩体的碎胀性，采空区被垮落岩块充填，并随着上覆岩体下沉值的增加，垮落岩体的支承压力也逐渐增加，垮落岩体的力学特性得到改善。国外对采空区垮落岩石的特性进行了研究，得到采空区垮落岩石随时间的变化规律为：

垮落矸石密度

(1)

垮落矸石弹模

(2)

垮落矸石泊松比

(3)

由以上公式可知，随着时间t的推移，垮落岩体强度趋于稳定，当工作面开采结束5 a后，垮落矸石弹模可达到原始弹模的99.8%，基本恢复了原始力学特性。

由于火成岩体厚度大，强度高，煤层现有开采条件下并未发生断裂性破坏，随着时间的增加，煤层开采后地表移动和变形也逐步趋于稳定，在无强烈的外在因素影响下，火成岩岩体及其上覆岩体具有足够的强度可以支撑上覆岩体的重力，因此该种条件下地表不会再出现剧烈的变形破坏。

4 地表稳定性分析

4.1 地表移动分析

由于火成岩较下伏岩层坚硬，其结构、强度及变形性能等方面存在明显差异，煤层开采后，岩层移动过程中可能会产生不协调、不同步的变形现象[3]。通过对观测数据的整理分析，B测线的b20～b37号点位于火成岩的正上方，b1～b19、b38～b40号点位于火成岩以外，b17为最大下沉点，根据其观测下沉曲线可知，尽管局部下方有火成岩存在，地表下沉连续，可以判定火成岩是作为覆岩的一层硬岩层整体下沉[4]，与正常煤系地层条件下的地表移动规律基本一致，符合概率积分法的分布规律。参考数值模拟结果，采区上方地表不存在因火成岩突然断裂而引发的地表突然下沉。

因在剖面图上火成岩类似一个悬臂，故可以根据悬臂梁受力分析的方法，分析火成岩的受力特点。由于火成岩与周围岩体性质不同，则火成岩底面可能产生离层，但随着开采的进一步扩大，火成岩底面的离层空间也将逐渐扩大，火成岩上方又有地表至火成岩顶面冲积层和地层岩体的荷载作用，火成岩将产生弯曲、裂隙、断裂等一系列的移动与变形直至破坏充填离层空间。随着煤层开采逐步推进，火成岩下方岩层依次垮落下沉，火成岩沿竖直方向的移动约束也被逐步解除，在这个过程中，板状火成岩依靠自身强度承担上覆岩层的重量，其受力变形形式可简化为悬臂梁在均匀载荷下的受力弯曲。

悬臂梁所承受的剪力和弯矩主要集中在固定端，该端梁体的上表面在挠曲变形中承受较大的拉应力，而火成岩岩体属脆性材料，抗剪抗拉强度很低。因此开采过程中，火成岩在上方岩层重力的作用下，固定端受到强烈剪切拉伸，岩体内部裂隙会逐渐发育，并最终随其他岩层一起弯曲下沉。这进一步说明了煤层开采后，火成岩随煤系地层一起移动，地表基本上不会出现突然下沉。

4.2 地裂缝成因分析

井田边界的地裂缝位于预计的开采影响范围以外，说明其产生的原因比较复杂，应从裂缝区周围的地质构造进行分析。该区域存在的较大断层为F56断层，属斜交正断层，倾角56°，最大落差230 m。通过绘制断层剖面图，可以推断地表裂缝的产生与开采工作面和 F56断层的存在有关。开采工作面位于断层的底板方向，当工作面开采后，其岩层的移动将直接扰动F56断层，而该断层又是落差为50～230 m的大断层，断层底面向采空区方向移动，使断层产生活化，断层活化造成大量能量在瞬间释放[5]，从而导致地表产生较大的裂缝。

5 结 论

(1)在火成岩下采煤，地表移动形态符合概率积分法的分布规律，但由于火成岩硬度大，不易断裂，其顶板明显受到控制，火成岩越厚，地表下沉量及下沉速度越小。在利用概率积分法预计时，可根据火成岩的厚度分布情况，合理选取预计下沉系数。

(2)开采区地表出现较大裂缝，主要是由于工作面开采后，其上覆岩层的冒落、移动直接扰动断层，致使断层活化，大量能量在瞬间释放，进而引起地表移动与变形过大，导致地表出现较大裂缝。

(3)火成岩下采煤地表移动一般有3种形态:一是随采空区覆岩整体下沉,二是以悬臂梁形式断裂,三是位于断层附近的火成岩由于断层的活化产生较大的断裂。

[1] 刘心广.巨厚岩浆岩下开采覆岩移动规律及动力灾害危险性分析与防控技术[J].山东煤炭科技,2010(2):100-101. Liu Xinguang.Overlying strata movement rule under super-thick magmatic rock and danger analysis on dynamic disaster and its prevention and control technology[J].Shandong Coal Science and Technology，2010(2):100-101.

[2] 张华兴，郭 栋,等.非充分采动地表移动规律[J].煤矿开采,2005,10(3):58-59. Zhang Huaxing，Guo Dong，et al.Surface subsidence rule with insufficiency mining[J].Coal Mining Technology，2005,10(3):58-59.

[3] 王启庆，李文平,等.坚硬覆岩下采动离层水涌突规律及防治技术[J].煤矿安全,2014,45(7):59-62. Wang Qiqing，Li Wenping，et al.Water inrush law in bed separation fue to voal mining under hard rock and its control[J].Safety in Coal Mines，2014,45(7):59-62.

[4] 张玉申，陈三伟.巨厚火成岩推覆体下采煤技术实践[J].煤矿开采,2005,10(4):28-29. Zhang Yushen，Chen Sanwei.Practice of mining technology under nappe of mega-thickness igneous rock[J].Coal Mining Technology，2005,10(4):28-29.

[5] 毛德兵，陈法兵.采动影响下断层活化规律及其诱发冲击地压的防治[J].煤矿开采,2013,18(1):73-74. Mao Debing，Chen Fabing.Fault activation rules influenced by mining and prevention of rock-burst[J].Coal Mining Technology，2013,18(1):73-74.

(责任编辑 石海林)

Research on Surface Movement Regularity During Coal Mining under Thick Igneous Rock

Han Yongbin Gao Junhai

(TangshanResearchInstitute,ChinaCoalTechnology&EngineeringGroup，Tangshan063012，China)

Coal mining under thick igneous rock may cause the serious geological disaster because of the hardness of igneous rock and difficulty in caving.In order to study the surface subsidence law of coal mining under the igneous rock，and solve the problems induced by mining，such as surface damage and building protection，the surface movement observation stations were established.According to the distribution of igneous rock thickness，combining with numerical simulation，it is found that the igneous rocks with the underlying stratum subsided as a whole.Then，the mining surface subsidence with no igneous rock was gained by using the rock movement prediction software，and compared with the actual observed results to analyze the surface subsidence law during coal mining under thick igneous rock.

Igneous rock，Observation station，Regularity of rock shift，Numerical simulation，Probability integral method

2015-03-04

韩永斌(1980—)男，工程师。

TD325

A

1001-1250(2015)-04-026-05