宋帅帅,王宏志
(新疆大学地质与矿业工程学院,新疆 乌鲁木齐830046)
煤炭是我国的主要能源结构,在国民经济发展发挥重要作用。相对东部矿区,西部煤炭资源赋存条件较好,预测储量两万亿吨[1]。煤炭推动了我国社会经济的发展,随着工业革命的爆发、全球经济的发展,人类对于煤炭能源需求量也越来越高,煤炭的大量开采导致的一系列环境地质也愈发明显。例如:地表沉降、水土流失、地表变形、路面破坏、建筑物的破坏等等一系列的问题。在我国煤炭储量中,急倾斜煤层所占的比例不到5%,但在西北地区如新疆等一些省份中却占有相当大的比重[2]。急倾斜煤层的形成是初期地壳不均匀沉降、冲蚀作用及后期褶皱和断裂运动的结果,其地质条件是多样的。乌东煤矿煤层倾角有从45°到90°的各种变化,甚至出现倒转现象。有薄、中厚、厚及特厚煤层,多数矿井开采煤层群,一般厚度变化较大由于急倾斜煤层普遍角度大于45°,煤层的开采会引起覆岩层的弯曲和破断,进而导致了地表的沉降。随着采矿事业的发展和进行,矿产开发对于环境的破坏也越来越受到重视,目前对于大倾角厚煤层对地表沉降的研究在国内也有部分研究。冯国财[4]等学者针对断裂活动影响矿区的采煤沉降灾变问题,得出在断裂活动影响范围内地区构造应力会加剧采煤地表沉降;晁海刚[3]研究了表土层与基岩对地表沉降的影响规律,指出基岩是控制地表沉降的主要因素;高均海[5]等对深部开采地表沉降规律及机理进行了研究,指出深部不充分开采情况下,地表下沉值和速率均较小,地表下沉变化不明显;地表沉降预计是采矿界研究的热点问题之一[。近年来,有人尝试应用非线性科学理论和方法,如灰色系统理论、分形理论、人工神经网络预测模型等[9-10],对地表沉降进行预计。再者西北地区本身生态较为脆弱,土地荒漠化、土壤盐渍化问题严重,资源的开发更加剧了这些问题的负面影响。因此本文以新疆准南煤田乌东煤矿为背景,利用U DEC数值模拟软件构建数值模型,通过对急倾斜特厚煤层开采引起的地表沉降进行分析,得出不同倾角下地表沉降的范围和大小,揭示西北生态脆弱区煤炭开采地表沉降规律,为西北急倾斜特厚煤层的大规模开采提供理论依据。
准南煤田乌东矿区位于乌鲁木齐东北部,行政区属于乌鲁木齐东山区管辖,处于山前拗陷次级褶皱八道湾向斜南北两翼,属于博格达北麓的山前丘陵带,南高北低,井田位于八道湾向斜南翼的含煤地层是中侏罗统的西山窑组,西山窑组地层呈北东-南西向带状展布,地层总厚度818.07m。含煤54层,煤层总厚度169.81m,含煤系数20.76%,经编号的煤层46层,自上而下编号为B0-B46号煤层,平均总厚度166.63m,含煤系数20.37%。其中可采、大部可采煤层25层,为B34、B33、B32、B30、B28-29、B27、B25-26、B21-24、B20、B19、B18、B17、B16、B15、B14、B13、B12、B11、B10、B9、B8、B7、B4-6、B3-4、B1-2号煤层,平均可采总厚度135.48m。含煤系数16.56%,其余煤层不可采或零星可采。本次要开采的煤层为向斜北翼+575水平45#煤层东翼工作面,向斜北翼为一向南东倾斜的单斜构造,倾角东缓西陡倾角43°~51°,位于J2x的底部,煤层最大厚度39.45m,最小厚度11.83m,煤层平均厚度28.47m,含夹矸4~11层,夹矸单层厚0.06~2.43m,结构复杂,为全区可采的较稳定煤层。
结合煤矿实际情况、工作面条件等,确立建立以35°、45°、60°倾斜角度煤层为数值模型进行研究。本次煤层主要开采45#号煤层,煤层基本顶与直接顶均为粉砂岩,厚度较大,强度高。45#煤层南北走向长度约为2 540m,采用水平分段技术开采。45#煤层是一组煤层组合密集的复煤层,煤层厚度最大,夹肝层数多而厚度不大,不能分层。此次开采每个水平段为20m,开采5个水平分段,共开采100m。
1)通过对煤矿现场工作面的岩石取样,将样品进行加压测试、运用公式计算得到了各个岩层和煤层基本的物理力学参数,见表1。
表1 岩石力学参数
2)模型边界条件和尺寸。结合45#煤层的现场实际开采条件、煤层的走向长度和倾向长度,同时结合直接顶、基本顶的厚度和各岩层、煤层的厚度,将模型设置为长度500m、高度300m,如下图1所示。模型设置为6层地层,采用摩尔库伦接触滑移,左右边界为约束边界,下边界为固定边界,X,Y方向位移均为0,重力加速度为9.8 m/s2,上部边界无荷载。
图1 数值模型地层分布图
3)测点的布置。在模型地表上布置50个测点,每个测点间距为10m,测点用来监测地表沉降的动态变化。
如图2(a)所示,当35°煤层第一水平分段开采时,煤层顶板开始出现弯曲现象,随着开采的进行,煤层顶板空间应力形成重分布,煤层直接顶垮落到工作面的底板上,继而基本顶也发生垮落,上覆岩层形成离层,进而发生破断,地表出现小型的塌陷坑,塌陷坑的宽度为200m,最大地表下沉值约为7m。
如图2(b)所示,第二水平分段开采时,上一水平的煤层顶板全部垮落,在采空区形成了稳定的拱形平衡结构。此时覆岩进一步发生弯曲下沉,随后发生破断,相比于上一分段覆岩的弯曲破断更加明显,地表沉降范围进一步扩大,宽度扩大到300m左右,地表沉降最大值为9m,地表形成了盆状漏斗塌陷结构。
图2 煤层倾角35°时覆岩垮落图
如图2(c)所示第三水平开挖时,拱形平衡结构并没有发生破坏,大量顶板岩层和顶煤垮落在工作面底部上。如图2(d)、(e)所示,随着煤层开挖完毕地表沉降扩大至500m,遍布模型范围内,地表沉降最大值达到14m,形成了地表沉降盆状漏斗形沉降。
当第一水平开采完毕时,地表沉降最大值达到1.9m,第二水平开采完毕地表沉降最大值达到7.3m,第三水平开采完毕时地表沉降最大值达到11m,第四水平开采完毕地表沉降达到13m,第五水平煤层开采完毕时地表沉降达到14m,形成了先快速增长后缓慢增长的趋势,符合了大倾角煤层覆岩层垮落和地表沉降规律。
如图3(a)所示,当45°煤层第一水平开采时,原有空间应力状态变化,煤层顶板开始发生弯曲下沉,直接顶和基本顶进而发生弯曲破断,上覆岩层出现弯曲下沉,同时地表开始沉降,地表沉降范围和深度随着工作面开采逐步扩大,开采完毕时,煤层顶板全部垮落到底板上。地表最大下沉值达到2m。当煤层开采第二水平时,如图3(b)所示,煤层顶板进一步弯曲下沉,地表沉降范围和深度逐步扩大,上覆岩层裂隙逐渐发育,覆岩变形加剧,变形幅度逐渐增加。当煤层开采第三水平时,如图3(c)所示,顶板已经完全垮落在煤层底板上,裂隙发育继续扩大,覆岩变形加剧。当煤层开采第四水平时,如图3(d)所示,地表沉降仍在继续发展,沉降范围继续扩大,地表沉降最大值逐步扩大,速率变小,此时覆岩层的变形幅度相比前几个水平较为缓慢。当煤层第五水平开采时,如图3(e)所示,地表沉降范围已经大幅度增加,地表沉降最大值也达到顶峰14m,覆岩不再继续发生明显的变形。
图3 煤层倾角45°时覆岩垮落图
如图4(a)所示,当第一水平开采时,煤层直接顶开始缓慢下沉,顶煤垂直向下垮落,裂隙逐渐向上发育,随后直接顶发生破断,基本顶进一步弯曲下沉,开采完毕后采空区充满松散破碎的岩石,进一步压实;如图4(b)所示,当开采第二水平时,裂隙发育逐渐向上延伸,裂隙范围逐步扩大,地表沉降增加幅度变大,地表沉降最大值达到4m,增速较为明显;当第三水平开采时,如图4(c)所示,上覆岩层弯曲下沉幅度进一步扩大,采空区松散破碎岩石持续压实,此时顶板的垮落对工作面开采的影响较大;当第四水平开采时,如图4(d)所示,覆岩变形幅度变小,形成了新的拱形结构支撑着上覆岩层和煤层之间的平衡,相比于前几个水平的开采,地表沉降幅度呈现缓慢增加趋势;当第五水平开采完毕时,如图4(e)所示,地表沉降范围面积达到最大,遍布整个模型范围达到400m,地表沉降最大值达到4.2m。
图4 煤层倾角60°时覆岩垮落图
由图5(a)可知,随着煤层的开采,上覆岩层不断的弯曲下沉跌落到底板,地表沉降也随着开采变大,塌陷坑逐渐扩大。当煤层为35°时地表沉降最大值出现先快速增加后缓慢增加的趋势,塌陷范围扩大到地表周围200m,塌陷深度达到14m,地表下沉值随开采水平分段的增加而增大,随着水平分段的开采,地表沉降曲线趋于平缓。当煤层为45°时,随着开采进行,地表沉降最大值先快速增加后增速缓慢,后期沉降曲线较为平缓,和35°地表沉降类似。当煤层60°时,地表沉降最大值为4.2m,远远小于35°、45°煤层地表沉降最大值,地表沉降幅度较小,覆岩变形活动幅度较小,没有形成完整的塌陷盆地。
图5 地表沉降最大值对比图
由图(b)可知地表沉降最大值随着煤层倾角的不断增大而减小,倾角越大地表沉降越小,下沉值越小,塌陷波及范围越小。当35°、45°、60°时分别为14、12、4.2m。
1)随着煤层倾角增大,工作面开采引起的地表下沉速度呈现先增加后减小的趋势,地表沉降前期在开采影响下快速增加,在开采后期随着工作面的推进地表沉降增速逐渐变慢,沉降最大值和沉降范围增加幅度也逐渐变缓,35°、45°煤层所有水平开采完毕时,地表形成了稳定的漏斗盆状沉降结构,漏斗呈现左边较为平缓,右侧较为陡,符合大倾角煤层开采地表沉降的一般规律。
2)35°、45°、60°时地表沉降最大值分别为14、12、4.2m,煤层倾角越大开采引起的地表沉降值越小,地表沉降最大值随着煤层倾角的不断增大而减小,倾角越大地表沉降最大值越小,塌陷波及范围越小。
3)经过以上分析,煤层倾角是影响地表沉降的一个重要因素,角度越小的煤层开采引起地表变化就越明显。由于新疆地区大多是急倾斜特厚煤层,通过煤层倾角的确定就可以预测地表变形的幅度,同时对可能带来的危害进行防治。