81621工作面开采地表沉陷变形规律探析

崔 鑫

（晋能控股煤业集团大斗沟煤业公司，山西 大同 037003）

在井下开采过程中，松散层的开采沉陷问题比较严重。由于松散层的结构与上伏岩层存在较大差异，在采动过程中，松散层不仅会出现固结压缩变形，还会对覆岩造成破坏，加剧其沉陷变形［1-3］。具体表现有：地面下沉系数大于1、沉陷范围加大、地表剧烈移动等，使地表居民的生命财产受到严重威胁。因此，重点研究松散层因采动产生的地表沉陷规律特征，可为安全开采提供保障。

1 地质概况

大斗沟矿14#煤层81621工作面设计走向长度1 400 m，工作面宽度180 m，走向长壁开采，开采煤层厚度2.56～4.22 m，煤层倾角2°～6°，煤层整体比较松软，煤层底板标高-485～-495 m，采用全部垮落法管理顶板。14#煤层上距松散层为48.94 m，煤层老顶是细砂岩和粗砂岩，厚度为5.9～13.81 m；直接顶为灰色粉、细砂岩互层，厚度为0.8～3.65 m，裂隙发育，顶板容易垮落；伪顶为炭质泥岩，厚度0.2～0.78 m；底板的岩性粉砂岩，厚度为1.0～2.0。

2 地表沉陷数值模拟分析

2.1 数值模型

为了研究煤层覆岩遭到开采破坏后的地表变形情况，采用离散元数值模拟软件分析地表的沉陷变形规律［4-5］，建立长度为500 m，高度为225 m的数值模型，其中，以模型的左右边界为水平方向，模型的底部边界为垂直方向，模型的上部区域作为数值模拟的自由边［6］。

2.2 模拟方案及结果分析

对不同推进距离下的地表变形情况进行模拟，得到工作面覆岩形态及对应的位移云图，如图1所示，工作面地表下沉曲线如图2所示。

从图1可以看出，工作面每推进50 m，得到一次模拟结果，共推进200 m。由于煤层顶板的厚度较大，在工作面推进50 m时，出现直接顶断裂或垮落现象。而在基本顶上方出现砌体梁结构，上下两层之间出现离层，但没有发生断裂［7］。在工作面推进100 m时，基本顶出现断裂现象，引起顶板发生位移变形，进而引发地表出现沉陷。工作面推进距离大于150 m后，地表沉陷值达到最大。

图1 工作面不同推进距离下覆岩的形态及位移云图

图2 工作面推进下沉曲线

从图2可以看出，随着工作面推进距离的增加，推进速度也在不断增大，加速了覆岩层的沉陷，缩短了岩层悬空时间，再加上开采的高度比较大，煤层开采产生的垮落带和断裂带的宽度会逐渐增加，弯曲下沉段逐渐减小，这些都造成地表产生集中移动变形［8］。

3 工程应用

从数值模拟结果及现场地表沉陷变形数据来看，81621工作面因煤层厚度较大，在开采过程中容易造成地表沉陷变形［9］。

在工作面上方对应的地表位置共布置3条观测线，其中观测线A和B沿工作面走向方向布置，观测线C沿工作面倾向布置。观测线A的长度为1 400 m，相邻两个测点之间的距离为20 m，共布设3个控制点，71个测点，编号为Z1-Z71。观测线B的长度为200 m，相邻两个测点之间的距离为20 m，共布设3个控制点，10个测点，编号为Z72-Z82。观测线C的长度为849 m，相邻两个测点之间的距离为25 m，共布设3个控制点，34个测点，编号为Q1-Q34。测点布置如图3所示。

图3 工作面测点布置

3.1 主要参数

在不同时间段内，由于采动过程的各个参数不尽相同，根据地表沉降量、曲线斜率、曲率、地表水平位移值及水平变形值等参数的变化，分析地表变形规律［10］。其中，通过高程值来表示地表沉降量，用多次测量得到的高程值减去初始高程值，得出地表沉降量；用两测点间的沉降量除以两测点间的距离得出曲线斜率；用相邻两段曲线的斜率之差除以相邻两段曲线水平距离之差得出曲率；用多次测量的控制点水平距离减去第一次测量的控制点水平距离得出地表水平位移值；用多次测量的观测点水平距离除以第一次测量的观测点水平距离得出地表水平变形值。

3.2 数据分析

根据上述方法得到各相关参数，并对数据进行分析，绘制出实测地表沉陷变形曲线走向如图4所示，地表沉陷变形曲线倾向如图5所示。

从图4可以看出，在工作面推进140 m时，测点Z42到测点Z22的下沉量出现先增大后减小的趋势，其中测点Z32的下沉量最大，最大为2 800 mm。在最近2次测量中，测点Z30到测点Z1的下沉量基本接近，下沉量最大为3 600 mm，其中，测点Z11在两次测量中的下沉量变化最大，两次测量的下沉量差值为27.6 mm，其余测点的下沉量差值都小于Z11测点，可以认为走向观测线基本稳定。

从图5可以看出，在工作面推进140 m时，测点Q34到测点Q1的下沉量出现先增大后减小的趋势，测点Z13的下沉量最大，最大为3 500 mm。在最近1次测量中，测点出现2次下沉拐点，第一次在测点Q30的下沉量最大，最大为3 691 mm；第二次是测点Z13的下沉量最大，最大为3 800 mm。由于两次观测的最大下沉量基本保持不变，因而可忽略第一个下沉拐点。可以看出，观测线两端的下沉速度较小，中间下沉速度较大；随着工作面的不断推进，观测线的下沉速度变化较小，可以认为倾向观测线基本稳定。

图5 地表沉陷变形曲线倾向

3.3 规律分析

（1）根据观测结果，由于工作面推进速度较快，会加速上覆岩层的垮落速度，地表沉陷变形活跃，整体分布比较集中，造成沉降盆地。

（2）由于地表沉陷变形具备松散层特征，根据沉陷变形曲线，以拐点作为地表移动变形的分界线，观测线两端的下沉速度小、变形曲线斜率小；而中间下沉速度大、变形曲线斜率大，没有出现明显的变形台阶。

（3）随着工作面推进速度的增加，地表沉陷变形速度也在增加，且沉陷变形的速度越大，变形时间段越集中。

4 结论

1）随着工作面推进距离的增加，推进速度也在不断增大，加速了覆岩层的沉陷，缩短了岩层悬空时间，再加上开采的高度比较大，垮落带和断裂带的宽度逐渐增加，弯曲下沉段逐渐减小，造成地表移动变形集中，可以用来研究地表沉陷变形规律。

2）通过仿真数值模拟，对大斗沟矿81621工作面的地表沉陷进行仿真。结果表明，地表在短时间内达到最大下沉量，之后下沉量逐渐减小且达到稳定。

3）工作成果对类似条件的工作面开采具体参考价值。