大强矿深部开采地表沉陷规律及机理研究

高均海，白国良

(1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.天地(唐山)矿业科技有限公司，河北 唐山 063012)



大强矿深部开采地表沉陷规律及机理研究

高均海1,2，白国良1,2

(1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.天地(唐山)矿业科技有限公司，河北 唐山 063012)

[摘要]针对深部开采地表沉陷预测与控制问题，以铁法矿区大强矿为例，通过资料分析了深部开采地表沉陷规律；采用数值模拟方法，分析了深部开采地表移动机理。研究表明，深部极不充分开采，地表下沉值和下沉速率均较小，地表下沉活跃期不明显。深部开采表现为地表一定范围内的整体下沉，影响范围扩大，地表下沉系数相应减小。采用概率积分法进行开采沉陷预计时，应对地表移动参数进行修订。

[关键词]深部开采;地表沉陷;移动机制;沉陷预测

随着浅部煤炭资源的逐渐减少甚至枯竭，煤炭资源的开采已经向深部延伸。随着煤矿开采深度增加，深部岩体的力学行为在赋存状态改变的情形下趋于复杂，深部开采引起的地表沉陷不同于浅部。国内外开采沉陷研究成果表明，目前对浅部开采沉陷规律、预测方法及控制理论等的研究较为成熟,已能够满足浅部正常地质采矿条件下的工程需要,但对深部开采条件下，覆岩及地表沉陷机理、预测方法及控制理论的研究尚不完善，不能满足深部开采条件下地表沉陷预测及控制的需要。因此，深部开采沉陷规律及预测方法的研究具有重要的理论和实际意义。根据铁法矿区大强矿深部开采情况，对深部开采地表沉陷规律及变形机理进行研究。

1矿井开采条件概况

铁法矿区大强煤矿井田所在区域大部分为第四系所掩盖，没有含煤地层出露。地层由老至新依次为前震旦系、中生界侏罗系上统建昌组、三台子组；白垩系下统孙家湾组；新生界第四系。侏罗系上统三台子组为本井田的含煤地层。

三采区为首采区，0901 工作面为首采工作面,标高-890 ～ -1214m，地表标高为107.5 ～105.6m,采深997 ～ 1319m。工作面长240m，回采走向长1172m，煤层倾角8 ～12°。开采1 号煤层，为单斜构造，工作面煤层分层3 ～ 11 层，平均厚度10.5m，纯煤平均厚度9.5m，煤层坚固性系数为2～3。夹石单层夹矸厚度0.1 ～ 0.7m，累计平均厚度1.0m，岩性为泥岩、粉砂岩及团状黄铁矿岩。直接顶为油页岩，灰黑色，厚度1.5m，在油页岩中局部夹有薄层黏土、泥灰岩和菱铁矿薄层透镜体。油页岩结构致密，细腻，无裂隙，泥质胶结,层状结构，含碳，易风化，风化后呈饼状，干后粉碎崩解。基本顶为油页岩、粉砂岩、中砂岩互层,油页岩厚度50 ～60m，平均厚度55m，粉砂岩厚度2.5 ～5.5m，平均厚度4m，中砂岩厚度5 ～ 10m,平均厚度7.5m。直接底为泥岩粉砂岩，厚度0.55m，基本底为中砂岩、粉砂岩、粗砂岩、泥岩互层，厚度8.5m。

采用综采放顶煤开采工艺，采高2.9m，平均采放比1∶2.28，放煤步距为0.7m，放煤方式为一采一放，采用全部垮落法管理顶板。

2矿井开采地表沉陷实测规律

2.1地表移动观测

结合工作面上方地表实际情况，布设2 条观测线: 一条倾向观测线和一条走向观测线，倾向观测线长2452m，走向观测线长1812m。倾向观测线布置43 个测点，走向观测线布置32 个测点。在观测线长度以外设置观测站控制点，控制点距最外测点距离为70m，2 条测线共计布置6 个控制点，倾向线4 个，走向线2 个。观测点布置如图1 所示。

图1　观测点布置

连接测量按5″导线测量精度要求进行。观测线工作测点的平面位置，从已知坐标的控制点，按10″导线测量的精度要求确定。高程联测起算于矿区三等水准点，以不低于三等水准测量的精度要求进行。

在移动过程中进行日常水准测量，活跃期确定为15d 左右观测一次。衰退期巡回测量可30d进行一次。可用单程的复合水准或水准支线的往返测量，实测按四等水准测量的精度要求进行。

平面测量仪器选用GPS-RTK 或用测角精度为2″、测距精度为2mm+2ppm 的全站仪，高程测量采用S1 级水准仪，以三等水准测量精度进行测量。

2.2地表移动规律分析

地表移动观测站在2013 年11 月20 日布设完成，12 月10 日完成首次全面观测。工作面于2014年2 月份开始回采，至2015 年4 月3 日工作面进尺运输巷735m，回风巷764m 时，24～48号和55～79号测点下沉曲线如图2 所示。2014 年6 月11日至2015 年4 月3 日，24 号和55 号点的下沉速率曲线如图3 所示。由图2和图3可以看出，深部开采条件地表下沉值较小，地表最大下沉值182.5mm；下沉速率小，最大下沉速率为1.14mm/d，活跃期不明显。

图2　观测线下沉曲线

图3　24号和55号测点下沉速率曲线

3深部开采数值模拟与沉陷机理分析

根据0901工作面地质概况，应用FLAC3D数值模拟软件，建立三维立体模型，模型尺寸长×宽×高为2000m×2000m×1500m，如图4所示，模型左右两侧取水平位移约束边界(即ux=0)，前后两侧取水平位移约束边界(即uy=0)，下边界取垂直位移约束边界(垂直位移uz=0)，上边界(地表)为自由边界。回采过程中走向主断面上位移和最大主应力变化如图5和图6所示。从图5，图6可以看出，工作面开采后地表移动值较小，岩体应力主要集中在采空区周边区域。

图4　工作面FLAC3D数学模型

图5　主断面垂直位移等值线

图6　推进至200mm和1000mm时的最大主应力等值线(MPa)

0901工作面为深部开采首采工作面，受多种因素影响，工作面的面长(D)较小，在大采深条件下，工作面开采的单向充分程度(D/H)很小，平均值为0.21，地表处于极不充分开采，表现在采空区覆岩破坏的特征上，具有悬臂梁、垮落拱等特性。在工作面推进方向的采动程度(L/H)0.99，小于1，未到充分采动程度，覆岩表现为弹性变形状态，开采后模型塑性区分布如图7所示。此外，上覆岩层厚度大，受扰动影响小，岩层整体强度高，表现为硬岩的特性。因此，0901工作面深部开采上覆岩层破坏具有均匀、整体压缩、移动、变形的特点，表现为地表一定范围内的整体下沉，影响范围扩大，地表下沉系数相应减小。

图7　开采后模型塑性区分布

4结论

(1)大强煤矿0901工作面开采沉陷实测表明：深部极不充分开采时，地表下沉值和下沉速率均较小，地表下沉活跃期不明显。深部开采表现为地表一定范围内的整体下沉，影响范围扩大，地表下沉系数相应减小。

(2)深部开采沉陷与浅部非充分开采有一定的差别，采用概率积分法进行开采沉陷预计时应对

预计参数进行修订。

[参考文献]

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[责任编辑：施红霞]

Rule and Mechanism of Surface Subsidence with Deep Mining in Daqiang Coal Mine

GAO Jun-hai1,2，BAI Guo-liang1,2

(1.CCTEG Tangshan Research Institute,Tangshan 063012,China;2.Tiandi(Tangshan)Mining Science & Technology Co.,Ltd.,Tangshan 063012,China)

Abstract:In order to solve the problems of surface subsidence predicting and controlling under deep mining，it taking Tiefa coal mineas an example，surface subsidence rules of deep mining were analyzed，surface movement mechanism of deep mining was analyzed bynumerical simulation.The results showed that surface subsidence value and subsidence rate were all small，when mining was extremely inadequate in deep，surface subsidence active period was unobvious.The characters of deep mining were special scope of surface subsidence entirely，influence scope expanded and surface subsidence coefficient decreased.Surface movement parameters should be revised when probability integral method was used in mining subsidence predicting．

Key words：mining in deep；surface subsidence；movement mechanism；subsidence predicting

[收稿日期]2015-08-19

[基金项目]国家科技支撑计划项目(2012BAC13B03)；唐山市科技计划项目(14130212B)

[作者简介]高均海(1963-)，男，河北清苑人，研究员，博士，主要从事矿山测量新技术、开采损害防护及监测方面的研究。

[中图分类号]TD325

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)02-0026-03

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.02.008

[引用格式]高均海，白国良.大强矿深部开采地表沉陷规律及机理研究[J].煤矿开采，2016，21(2)：26-28，52.