大倾角煤层开采地表沉陷规律研究

张海洋，李小萌，孙利辉

(1.冀中能源股份有限公司 云驾岭矿，河北 邯郸 056302；2.河北工程大学 矿业与测绘工程学院，河北 邯郸 056038；3.河北省煤炭资源综合开发与利用协同创新中心，河北 邯郸 056038)

在东部老矿区，优质煤炭资源开采殆尽并逐步转入地质条件复杂的煤层开采，其中，大倾角煤层开采的地表沉陷就是亟需解决的问题[1-5]。近年来，诸多学者针对大倾角煤层开采的覆岩运移和开采沉陷规律进行了研究[6-10]。伍永平[11，12]提出了“R-S-F”(顶板-支护-底板)系统失稳的主导参数及倾斜砌体结构模型；朱庆伟[13]等利用数值计算研究了不同煤层倾角下的覆岩运动特征及地表塌陷坑的形状；崔希民[14]讨论了开采沉陷的主要影响因素、预计参数的确定和预计误差，强调了预计误差和拟合误差的区别；麻凤海[15]等结合红菱矿实际条件，通过数值模拟方法研究了多煤层开采的地表沉陷规律；李树峰[16-20]等通过数值模拟和相似模拟手段研究了急倾斜煤层开采的岩层移动和地表沉陷规律。

大倾角煤层开采的岩层移动特点决定了地表沉陷规律的发展变化规律，因此，以云驾岭煤矿为例首先应用数值模拟方法研究大倾角煤层开采后的岩层移动规律与近水平煤层的区别，并结合概率积分法对大倾角煤层开采地表沉陷的规律进行验证。

1 工程背景

1.1 工作面概况

云驾岭煤矿12805下工作面位于井田八采区，工作面北以八采区回风下山为界；南部以12805下工作面终采线为界；西部以12805工作面采空区为界；东部以八采区运输平巷为界。工作面地表为山丘和农田，地表有西土山乡村庄，留有保护煤柱。地面标高：+250.3～+270.7m，工作面开采标高-346.1～-450m。

12805下工作面煤层赋存稳定，煤层厚度在0.90～3.85m之间，平均厚度3.0m。煤岩层走向N9°W，倾向NE，倾角26°～35°，平均32°。初步方案设计为回采长度866m，工作面切眼长度50m。直接顶板为深灰色粉砂岩，平均7.6m；基本顶为灰色细粒砂岩，平均4.53m；直接底为深灰色粉砂岩，平均4.62m；基本底为灰色、深灰色细粒砂岩，平均厚度4.33m。采用单一厚煤层一次采全高走向长壁后退式采煤法，单向割煤，全部垮落法控制顶板。

1.2 地表建筑物分布及结构特征

12805下工作面切眼南偏东51°，距工作面切眼761m左右有西土山中心小学教学楼一栋。此外，在工作面东侧110m和230m左右有各有一栋一层民房，工作面东侧428m左右位置有两栋6层建筑和一栋高层建筑。工作面与地表建筑相对位置如图1所示。

图1 地表主要建筑物与工作面相对位置

2 数值计算

2.1 数值计算模型及参数选取

为研究工作面开采对地表建筑物的影响，以云驾岭矿12805下工作面为工程背景建立数值计算模型，模型宽度500m，走向长度1000m，高770m，模拟开采工作面长60m，倾角30°，煤层厚度3.0m。模型左右、前后及底部固定位移约束，顶部为自由边界；煤岩体采用摩尔-库伦模型。各岩层的物理力学参数见表1。

表1 煤岩层的物理力学参数

2.2 模拟结果分析

2.2.1 工作面推进不同距离时地表下沉规律

如图2所示，当工作面推进至100m时，走向主断面地表最大下沉值为205mm，随工作面向前推进，地表最大下沉逐步增大，工作面推进至200m时，地表最大下沉值为220mm，工作面推进至400m时，地表最大下沉值为240mm，当工作面推进至600m时，地表最大下沉达到258mm。此外，地表最大下沉位置基本处于工作面正上方对应的地表位置。如图3所示，随工作面推进，地表最大下沉值随持续增大，但绝对增加量逐渐趋缓，即随工作面推进，地表最大下沉值将逐步趋近于地表最大下沉值。

图2 工作面推进过程中走向主断面下沉分布

图3 工作面推进距离与地表最大下沉值的关系

2.2.2 倾向不同位置地表最大下沉值的分布规律

工作面推进600m上下山边界处对应地表的最大下沉值如图4所示。由图4可知，随工作面推进，上下山处对应地表下沉逐步增大。当工作面推进100m时，上山处地表最大下沉211mm，下山处地表最大下沉200mm，工作面推进至600m时，上山处地表最大下沉268mm，下山处地表最大下沉252.6mm。将工作面推进过程中工作面上、下端头处对应的地表下沉值提取如图5所示，可见，煤层倾角对地表下沉的影响比较显著，在工作面上部边界处造成的地表下沉值明显大于工作面下部处的地表下沉。大倾角煤层开采时，采场上方破断岩层绕其下部铰接点旋转，从而造成工作面上部破断岩层回转空间较大，进而波及地表，导致对应位置处地表下沉值较深部位置偏大。而西土山中心小学和高层建筑处于工作面下山所对应的地表位置，因此在倾角影响下工作面的开采对其影响将大为减轻。

图4 工作面推进600m上下山边界处对应地表的最大下沉值

图5 工作面推进过程中上下山地表最大下沉值

3 开采沉陷的动态预计

3.1 动态预计基本原理

采用优化分段Konthe时间函数作为动态预计时间函数。其函数模型见式(1)。

根据概率法原理，某一动态单元(v1，t1)开采，其引起的地表任意一点A(x，y)的下沉量W(x，y)可按式(2)计算：

式中，W0为最大下沉量，mm；v1t1为第1个动态单元长度，m；D1s为工作面倾向长，m。

3.2 动态预计结果

不同的预计时刻计算得到的地表任意点地表变形动态变化如图6、图7所示，随工作面推进，地表的倾斜变形和下沉逐步向工作面推进方向拓展。在T=310d时，地表下沉量达到2247mm，地表倾斜变形三维图形成了符号相反的对称图形，由其发展过程可知，中间倾斜值为0的地表点也是经历了由小到大，再从大到小，最后为0的剧烈变化过程。

同时，重点关注的区域(西土山中心小学和工作面东侧高层建筑坐标点)其地表下沉值和倾斜变形均在一级开采损害范围内。

图6 T=140d地表变形

图7 T=310d地表变形

4 建筑物下开采地表沉陷预计软件验证

4.1 地表沉陷预计基本参数

云驾岭矿12805下工作面主要计算参数为：开采深度620～710m，煤层厚度3.0m，煤层倾角32°，工作面宽度43m，走向长度400m。评价地表房屋移动变形程度(主要针对本区域建筑物情况)的主要指标有：地表下沉值w(mm)、地表倾斜值i(mm/m)、地表水平变形值ε(mm/m)、地表水平移动、地表曲率等。计算分东西和南北两个方向进行。

4.2 预计结果分析

12805下工作面按现有条带设计开采后地表影响值见表2。由表2可知，采用该开采方案后，上覆地表最大下沉为222mm，地表最大倾斜为1.1mm/m，地表最大水平拉伸变形为0.72mm/m，地表最大压缩变形为1.46mm/m，最大曲率0.01，最大水平移动170mm。

表2 工作面开采后地表移动变形值

由表3可知，12805工作面条带开采后，两栋高层建筑附近最大下沉10mm，最大倾斜0.3mm/m，最大水平拉伸变形0.3mm/m，最大水平压缩变形0.1mm/m，最大曲率变形0.01×10-3/m，最大水平移动130mm；西土山中心小学最大下沉小于10mm，最大倾斜0.1mm/m，最大水平拉伸变形0.1mm/m，最大曲率变形0.01×10-3/m，水平移动小于1mm。

因此，12805下工作面开采后，对附近两栋高层建筑和西土山中心小学的损坏等级控制在Ⅰ级范围内，影响轻微，建筑物无需维修或简单维修即可保证地面建筑物的使用安全。工作面煤层开采后，在其浅部位置处地表下沉值较大，而在深部区域对应的地表处下沉值较小，这与数值模拟结论相一致。

表3 工作面开采后主要建筑物移动变形情况统计

5 结 论

1)数值计算结果表明，大倾角煤层开采的地表沉陷规律与近水平煤层有显著不同。受大倾角采场岩层破断的不均衡性影响，上山处对应的地表下沉明显大于下山处的地表下沉值。

2)基于概率积分原理的地表下沉软件预计可知，工作面浅部地表下沉值大于深部地表下沉值，这与数值计算结论相一致。

3)采用Konthe时间函数和概率积分软件对地表建筑物(西土山中心小学和高层建筑)处地表变形进行预计可知，两处建筑物受开采影响均在Ⅰ级范围内，影响轻微。