彬长矿区综采工作面地表岩移规律研究

邹娟茹，董汉军，李 昂

（1.杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100；2.西安科技大学，陕西 西安 710054）

彬长矿区综采工作面地表岩移规律研究

邹娟茹1，董汉军2，李 昂2

（1.杨凌职业技术学院，陕西 杨凌 712100；2.西安科技大学，陕西 西安 710054）

以实测数据为基础，结合数值模拟计算，深入分析了彬长矿区综采工作面地表移动变形规律及机理，得到地表沉降形态，给出了该矿区综采条件下地表岩移相关参数以及地表移动变形规律和特点，可为类似地质条件下煤层开采提供技术依据。

综采工作面；地表岩移；变形规律；数值模拟

煤炭开采必然伴随着围岩及地表移动和变形[1-3]。近年来，随着矿井开采范围的扩大，地面保护物下的煤层开采问题日益突出[4]。因此对煤矿开挖过程中岩层与地表移动规律的研究是安全开采和留设合理保护煤柱的关键[5-6]。在开采区建立地表岩层移动变形观测站，进行地表岩层移动参数观测研究，对于矿区煤层合理开发，矿区的“三下”开采和合理安全煤柱留设以及矿区滑坡﹑坍塌地质灾害控制具有重要的理论研究和应用价值，能保证矿井的安全生产[7-8]。本文以彬长矿区某矿401102综采工作面为例，重点研究了工作面综采条件下上方地表岩移规律，旨在为该矿区后期的安全开采和合理安全煤柱留设提供参考依据。

1 工程概况

1.1 煤层地质条件

401102综采工作面是彬长矿区某矿在401盘区布置的第二个工作面，其地理坐标范围是X：3889300～3890687；Y：36495398～36495633。该工作面设计长度为1 350 m，可采长度为1 172.5 m（平距），倾向长为180 m，面积为211 050 m2。401102综采工作面为4号煤层，顶板岩性以灰～深灰色粉砂岩﹑泥岩为主，底板则以灰～灰褐色铝质泥岩为主，赋存稳定，厚度为2.2～5.5 m，煤层倾角为5°，其实际采高为3.0 m。煤层埋深为613.8～690.6 m，从工作面南侧向北侧煤层底板逐步降低，其中最低处为A3向斜轴部附近，最高处为切眼附近。

1.2 水文地质条件

地层存在两个含水层段：4号煤层及其上部的中粗粒砂岩﹑砂砾岩含水层段，厚度为40～80 m。据以往抽水实验，该层单位涌水量为0.000 046～0.000 74 L/s·m；渗透系数为0.000 38～0.001 27 m/d，富水性微弱，但具有较强的承压性，补给源较远，补给水头亦高。其隔水层由4号煤层顶﹑底板粉﹑细粒砂岩，泥岩，砂质泥岩组成，厚度为60～100 m，为相对连续和稳定的隔水层。

2 地表岩移观测站设计

401102综采工作面走向长度为1 495.5 m，倾向长为180 m，结合全盆地走向观测线的设计方法，地表岩移观测系统布设了一条走向观测线和一条倾向观测线，走向观测线长1 060 m，布设33个沉降监测点A1～A33，3个控制点K1～K3；倾向观测线长900 m，布设28个沉降监测点B1～B28，3个控制点K4～K6，观测站布设情况见图1。相邻两个监测点的间距约为30 m，控制点间距为30～45 m。

图1 井上下对照图

3 地表岩移变化规律分析

观测站于2014年1月建立，2014年4月1日开始观测，2016年1月15日观测结束，历时24个月，共进行了6次全面观测和15次日常水准观测，取得了大量的观测资料。

3.1 地表下沉形态

通过对地表岩移观测站监测数据的分析，得到401102综采工作面观测站测点的最大移动变形值，见表1。同时，以走向观测线测点为横坐标，竖向变形为纵坐标，绘制了401102综采工作面回采过程中回采面上方地表随时间变化的部分下沉曲线（图2）。

表1 实测地表最大移动变形值

图2 走向A观测线下沉曲线

从表1可以看出，采动影响下，地表沉降变形很大，走向线地表沉降达到1 752 mm，倾向线地表沉降达到1 336 mm，水平方向也发生较大变形，这与地表局部地区出现裂缝相吻合。由图2可知，随着综采工作面的不断推进，地表沉降范围和下沉值逐渐增大，沉降槽中心位置沿开采方向不断移动，最终在综采面走向的中部稳定下来，与开采沉陷的一般规律吻合，说明观测结果可信。

3.2 地表岩移参数计算分析

1）下沉系数。根据各观测线的观测数据进行分析，研究其变形规律，再从每条观测线上选取具有代表性观测点的累计下沉值进行反算，得到下沉系数q，其计算公式为：

式中，M为煤层实际开采厚度（mm）；Wcm为累计下沉值（mm），为观测点累计实测值；α为煤层倾角，这里取5°。

经过计算得到下沉系数q介于 0.31～0.45，平均值为0.35。

2）水平移动系数。根据各观测线的观测数据进行分析，找出其中的共性，再从每条观测线上选取具有代表性观测点的累计下沉值和对应的水平移动值，反算水平移动系数b，其计算公式为：

式中，Ucm为水平移动值（mm），为观测点累计实测值。

经过计算得到水平移动系数b介于 0.24～0.39，平均值为0.31。

3）开采影响传播角。根据各观测线的观测数据进行分析，找出其中的共性，再从每条观测线上选取具有代表性观测点的累计下沉值和对应的水平移动值，反算开采影响传播角θ0，其计算公式为：

经过计算得到开采影响传播角θ0介于68°～72°，平均值为70°。

4）岩移角值。岩移角值具体参数见表2。

表2 岩移角值参数

3.3 地表移动变形规律

1）该区域地表下沉值较大，但因煤层埋深在600 m以上，地表下沉系数较小，仅为0.35，水平移动系数为0.31。在401102工作面回采过程中，工作面上覆岩层承载能力下降，在上覆岩层自重的作用下整体下沉，导致该区域地表下沉较为明显。

2）地表下沉盆地陡峭，变形分布集中。401102工作面正上方地表下沉值大，边界附近曲线陡峭，煤柱上方下沉值明显较小，曲线平缓，延伸较远。

3）在401102工作面开采影响传播角为70°，上覆岩层整体性较差，强度低，诱发围岩在水平方向的移动滞后于垂直方向上的移动，导致采空区上方地表下沉量大，出现多条裂缝。

4 数值模拟分析

4.1 计算模型的建立

为进一步分析401102工作面综采条件下地表移动变形规律及机理，运用FLAC3D软件对综采工作面岩层的破坏程度和对地表的影响规律进行了数值模拟分析。模拟工作面推进长度为1 200 m，开采宽度为 180 m，煤层采厚为3 m，采深为640 m，采用莫尔—库伦本构模型，数值计算模型见图3。

图3 数值计算模型示意图

4.2 数值模拟结果分析

由图4可以看出，工作面开采后采空区顶﹑底板出现应力释放区；采空区两侧的覆岩内出现竖向应力集中现象，特别是靠近采空区的煤柱上方岩层竖向应力最大；采空区中部上覆岩层竖向应力逐渐减小。通过进一步分析可知，综采工作面开采后，在采空区上方基岩内部形成拱型应力平衡结构，使得采空区上方原有载荷向两侧煤柱转移，导致其应力释放，造成两 侧煤柱承受了较大荷载。

图4 401102工作面开采完的岩层竖向应力云图（单位：Pa）

因此，在综放开采条件下，顶板岩层脆性破坏发育，卸载速率快，极易发生离层和跨落，而覆盖于基岩上方的松散层，在自重作用下下落到岩层的离层和裂隙当中，加剧了地表沉陷变形程度。煤层上覆地层发生移动变形的根本原因在于自重压应力和岩层弯曲产生的拉应力的综合影响。但是，由于松散层胶结力弱，煤柱上方松散层所受到的拉应力偏小，下沉变形也较小，而在采空区上方，顶板岩层承受松散层重力和岩层弯曲拉应力的双重作用，沉陷变形明显加剧，下沉量增大。此外，由于工作面上方松散层厚度大，作为荷载，松散层加快了岩层的变形进程，而作为松散介质，松散层使地层水平移动明显滞后于竖直方向移动。

5 结 语

本文采用现场测量和数值计算的方法对彬长某矿401102综采工作面地表岩移规律进行了研究，得到了以下结论：

1）综采工作面回采过程中地表下沉形态表现为：随着综采工作面不断推进，地表沉降范围和下沉值逐渐增大，沉降槽中心位置沿开采方向移动，最终在综采面走向的中部稳定下来。

2）通过分析工作面地表沉陷变形的观测资料，得到了综放开采条件下地表岩移相关参数，揭示了该矿区特定地质采矿条件下地表移动与变形的一般规律和特点，为矿井开展“三下”采煤及安全煤柱留设提供了可靠的技术依据。

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P258

B

1672-4623（2017）09-0108-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.09.033

2016-12-30。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（41402265）；陕西省自然科学基金基础研究计划(面上项目)资助项目（2016JM4014）；中国博士后科学基金面上项目一等资助项目（2016M590961）；杨凌职业技术学院科学研究基金资助项目（A2014014）；杨凌职业技术学院人文社科类研究基金资助项目（GJ1516）。

邹娟茹，硕士，讲师，主要从事GPS应用技术、摄影测量与遥感、GIS等方面的研究。