山区复杂地形下地表移动盆地边界角量参数研究

王比比 谭 毅, 孙 琦 杨伟强 赵高博 徐飞亚

(1.河南理工大学能源科学与工程学院,河南 焦作 454003;2.煤炭安全生产河南省协同创新中心,河南 焦作 454003;3.辽宁工程技术大学建筑与交通学院,辽宁 阜新 123009;4.黄河水利职业技术学院水利工程学院,河南 开封 475004)

研究覆岩地表移动变形规律是评价采动损害程 度、确定采动影响范围及制定控制措施的基础。因此,矿山开采导致的地表移动变形规律是国内外煤矿开采损害与保护领域的重要研究方向之一[1]。目前,关于开采引起的覆岩与地表移动规律等方面已有大量的研究成果[2-4],杨建立等[5]从现场监测出发,通过比较相似条件下有无断层的地表沉陷规律,获得有无断层影响下的覆岩破断规律及移动规律;张广学等[6]基于鄂尔多斯地区营盘壕煤矿浅埋深厚煤层特点,建立地表移动观测站进行实测,并分析了该地质采矿条件下地表下沉速度的变化特征;刘文岗等[7]对大采高近浅埋煤层综采面覆岩运动和地表移动变形规律进行了实证研究;戴华阳[8]较为全面地阐述了覆岩与地表移动变形量的时空关系,给出了各移动变形量之间的数学关系。概率积分法也是研究地表移动变形规律的一种重要手段,已通过大量工程实践证实[9-11]。郭文兵[12]通过改进计算参数的预计方法,采用全采多工作面叠加预计方法,准确地进行了深部条带开采地表移动和变形预计;余学义等[13]以陈家沟煤矿为例,对大采深综放开采方面的概率积分法进行了应用研究;王显军等[14]以松河矿区为例,采用顾及山区地形因素和山体滑移影响的改进概率积分法,对山区煤矿开采进行了地表沉陷移动变形预测;赵博等[15]针对山区急倾斜煤层开发出了基于MATLAB 的开采沉陷预计系统并进行了验证;陆玉根等[16]研究了大采深上覆岩体变形规律;周棒等[17]针对概率积分法在采空区边缘预计精度不理想的问题,引用概率积分法修正模型并利用递减步长的果蝇算法对模型参数进行了反演,结合反演得到的概率积分法修正模型参数计算了各观测点的拟合值,并与实测值进行了对比验证,对研究特定工作面开采上方地表的移动变形规律具有积极作用。相关研究表明:概率积分法得到的数据与实测值有很好的契合度,可用于指导地表移动变形规律的研究。但不少矿区由于工作面地表情况复杂,因而无法建立常规岩移观测站获取监测数据,对该类情形下的地表移动变形规律的研究有待深入。

本研究以山西某矿20210 工作面山区复杂地表地形为工程背景建立地表移动网状观测站,依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》(2017)[18](以下简称“三下”开采规范),结合概率积分法,对地表移动变形规律及岩层角量参数进行研究。研究成果对于该矿区的保护煤柱设计以及“三下”开采方案和网状观测站设计具有一定的借鉴意义。

1 工程地质条件

1.1 工作面概况

研究区位于祁吕贺兰山字型构造前弧东翼内侧,区域地质应力方向大致为NW—SE 向的挤压。地形复杂,切割强烈,沟谷呈“V”字形。矿井地表植被灌木丛生,特别是20210 工作面更是复杂,工作面上方存在洗煤厂、水文钻孔及附近存在国家重要线路G309、河沟,而20210 工作面上方丛林密布、灌木丛生不适合建立观测站(图1),随着采矿生产的进行,对地面的影响范围也会日趋扩大,有必要针对性地研究开采引起的岩层和地表移动规律。

图1 20210 工作面及观测站位置地表地形卫星图Fig.1 Satellite map of surface topography of 20210 working face and observation station

20210 工作面位于2#煤层北部,其西侧为20206工作面(已回采结束),东侧为20216 工作面。20210工作面呈矩形分布,走向长180 m,倾向长583 m,工作面平均采厚为3.39 m,平均采深为716 m。煤层倾角为5°～10°,为近水平煤层。工作面采用综采采煤方法开采,全部垮落法管理顶板。20210 综采工作面邻近面开采情况及相对位置如图2 所示。

图2 20210 综采工作面邻近面开采情况及相对位置Fig.2 Mining situation and relative position of 20210 fully mechanized working face and its adjacent working face

1.2 工作面覆岩岩性特征

20210 工作面设计开采煤层属于2#煤层,黑色,似金属光泽,以亮煤为主,暗煤次之,半亮型,坚硬,为稳定煤层,f=1～2。覆岩岩性及煤层顶底板情况如图3 所示。

图3 906 号钻孔覆岩岩性特征Fig.3 Lithologic characteristics of overlying rock in No.906 borehole

结合906 号钻孔柱状,采用覆岩综合评价系数计算法,得出的钻孔覆岩综合评价系数(P)值为0.5。根据上文分析得出的覆岩综合评价系数P值,参照“三下”开采规范中岩性综合评价系数P与岩性影响系数D的对应关系表,该山区复杂地形下20210工作面上覆岩层岩性影响系数D为1.64。由此可知:20210 工作面上覆岩层岩性综合评定为中硬岩层,为后续概率积分法参数选取提供了参考。

2 实测网状观测站地表移动变形规律

为对地表移动变形情况进行全过程监测,结合工作面采矿条件和地表上方实际地形地貌特点,并根据“三下”开采规范,若要准确测量出地表移动变形边界角量参数,则需获取工作面上覆地表下沉最大值,该值一般位于主断面上。由于地表地形复杂,观测站无法建立在工作面正上方,故而无法直接获得20210工作面的相关角值参数。因此,在20206 工作面开采完之后,采空区6 个月内对地表无影响的情况下,在20210 工作面地表左侧地势平坦能够设置观测站处建立了剖面网状地表移动观测站。观测站共布置了4 条测线,沿工作面推进方向从左到右分别为a、b、c、d线,其中d线距离20210 工作面最近,最先受采动影响。每条测线长为200 m,测点10 个,测点间距约20 m。

20210 工作面从2017 年11 月15 日开始进行第一次全面观测,获取了观测点的初始平面坐标和高程坐标。为准确获取该地表地形下的覆岩移动边界角量参数,测量组在回采结束一段时间后,于2019 年6月25 日,对20210 工作面进行了采动稳定后的一次观测工作。截至2019 年6 月25 日,工作面回采结束下沉稳定后,4 条观测线分别测量了11 次。根据工作面测线上各测点下沉值绘制了下沉曲线,如图4 所示。

图4 沿工作面推进方向观测线下沉曲线Fig.4 Subsidence curves of the monitoring lines along the advancing direction of the working face

由图4 可知:随着工作面开采,测点下沉值会越来越大,最大下沉点也会随之前移,网状观测站测点下沉曲线符合一般下沉规律。本研究于2019 年6 月25 日对20210 工作面进行了采动沉陷稳定后的最后一次观测数据整理,发现2018 年11 月24 日—2019年6 月25 日这7 个月的时间,覆岩地表移动变形值基本保持一致,表明20210 工作面采动影响已稳定。最后一次观测时,20210 工作面最大下沉点为D9测点,最大值为473.16 mm。

从图4(d)可看出,在距停采线位置较远的测点,地表下沉较小,靠近工作面,下沉曲线变陡。这是由于开采造成大面积垮落,上覆岩层随着工作面推进位置“随采随垮”,继而影响到地表。上覆岩层这种“随采随垮”的特点,使得在工作面开采边界地表移动变形值会形成一个明显的分界点,造成下沉曲线较陡。

在图4(b)沿工作面推进方向b线下沉曲线上可明显看出,B5～B9点在第7 次观测之后,下沉值增加明显,现场观察发现在B7点附近有人为掘土迹象,在7—8 月雨量丰富的情况下,雨水冲刷导致的测点下沉值明显增加。

3 地表移动变形预计可行性分析

为了更加明确分析20210 工作面地下开采引起的地表移动和变形值和影响范围,以及地表建筑物受影响程度,有必要进行地表移动和变形计算。本研究采用概率积分法对20210 工作面开采区域进行地表移动变形预计。该方法是在随机介质理论的基础上延伸、简化、发展而来的一种基于几何学的开采沉陷预测方法,它形象运用数学公式来表达采动影响和传播,是沉陷模型、预测参数、算法的综合体[19-21]。遗传算法(GA)模拟了自然界生物的选择和遗传机制,基本思想是首先产生一组染色体群体,根据适者生存原则,选择一些染色体通过复制、杂交和畸变产生新的染色体群体,最适应环境的染色体种群是通过进化来寻找的。相关研究表明[22]:GA 算法可以精确地推导出概率积分法参数。

本研究充分融合概率积分法、遗传算法优势,提出了一种将RTK 实测结果和概率积分法相结合获得变形沉降的新算法,具体流程如图5 所示。

图5 RTK 实测和GA 推导概率积分方法参数的流程Fig.5 Flowchart of deducing probability integral method parameters by RTK and GA

3.1 预计参数

依据“三下”开采规范,结合经验取值以及遗传算法原理,获得的预计参数最优值见表1。预计所需的几个参数分别为下沉系数q、水平移动系数b、主要影响角正切tanβ、拐点偏移距s等。

表1 20210 工作面地表移动预计参数Table 1 Prediction parameters of surface subsidence of 20210 working face

3.2 地表移动变形预计结果及对比验证

根据上述确定的预计参数,对20210 工作面回采稳定后引起的地表沉陷进行预计,其中三维模型预计下沉等值线如图6 所示。通过插值分析和实测数据来验证(下沉、倾斜、移动、变形)预计结果的准确性。并通过预计结果、参数拟合得出工作面开采后引起地表移动变形的相关角量参数。

图6 20210 工作面开采后地表下沉等值线Fig.6 Contour of surface subsidence of 20210 working face

通过插值分析、剖面图分析,对比网状观测点的实测值与预计值的误差,其误差范围见表2,三维模型预计的下沉等高线剖面如图7 所示。

图7 三维模型预计下沉等高线剖面Fig.7 Profile of predicted subsidence contour of 3D model

由表2 可知:当工作面开采后,预计值和实测值之间的最大下沉值误差只有7 mm 左右,其余相对误差很小,证明了利用GA 算法推导概率积分法最优参数具有可行性。

表2 20210 工作面地表观测点预计最大值和实测最大值Table 2 Estimated and measured maximum values of surface movement and deformation of 20210 working face

4 剖面线拟合及其分析

为计算出20210 工作面各岩移角量参数,需对工作面进行主断面剖面线状观测线拟合及分析。具体思路为:已知遗传算法与实测相结合的概率积分法参数最优取值,在20210 工作面主断面拟合出走向、倾向剖面线状观测值,进而得出在20210 工作面主断面上的剖面线状观测站的测点位置;由地表移动变形预计结果和实地观测数据的一致性可得出20210 工作面上方剖面线状观测线及走向、倾向各观测点的位置及坐标;根据走向、倾向观测线的下沉曲线、倾斜曲线、水平移动及水平变形结果,并依据各参数取值要求可计算出岩移角量参数。

根据每个时间段各测点的下沉值绘制的曲线如图8 所示,并对下沉数据进行拟合得出如图9 所示的下沉曲线,即拟合度R2为0.997 63,较接近1,表明拟合程度较高。

图8 走向、倾向线下沉曲线Fig.8 Subsidence curves of strike and dip lines

图9 下沉曲线拟合效果Fig.9 Fitting effects of subsidnece curve

由图8 可知:随着工作面推进,下沉值越来越大,最大下沉点也随着前移,地表移动盆地的范围和移动量均增加;当到了活跃期后,下沉曲线斜率比较大,下沉剧烈且集中。从图中可进一步分析出,如果工作面的推进距离达到超充分采动,最大下沉值将趋于一个稳定值,在工作面回采结束后,工作面最终开采形成的地表移动盆地的剖面形状将趋向于一个碗形。

由前述已知网状测量结果可知,图8 所示为非充分采动下的走向、倾向下沉曲线。依据测量值与预计值一致原理,利用Origin 拟合出20210 工作面最大下沉值,结合图9 所示下沉曲线分析可知,20210 工作面最大下沉值为853 mm。

5 移动盆地边界角量参数

5.1 移动角

根据地表移动角量参数中的移动角定义,并结合图7 和图8,分别求出倾斜、曲率和水平变形的各岩移角量参数值为倾斜3 mm/m、曲率0.2 mm/m2、水平变形2 mm/m 的点。在上山方向上,根据水平变形在边界处为拉伸变形的一般规律及实测中的水平变形发展规律,通过插值得出水平变形为2 mm/m 的位置,经计算该点位置距轨道巷约287.3 m,考虑到采深约716 m,松散层移动角一般取45°;松散层的厚度约10 m,因此计算出的走向移动角约69.0°。

同理,求取上山综合移动角,以预计数据为计算基础。根据水平变形在边界处为拉伸变形的一般规律及实测中的水平变形发展规律,通过插值得出水平变形为2 mm/m 的位置。经计算该点距工作面上山边界约227.6 m,由工作面近水平开采,采深约716 m,所以,上山综合移动角约72.4°,松散层移动角为45°,松散层厚度约10 m,根据移动角定义,计算出的上山移动角约73.1°。

5.2 边界角

根据边界角定义,结合下沉值以及预计等值线图,采用插值法计算得出边界点距离轨道巷约432 m,工作面平均采深约716 m,因此,可以计算出走向综合边界角约58.9°。如果考虑松散层移动角,按45°计算,松散层厚度取10 m,根据边界角定义,可以计算出走向边界角约59.4°。同理,求取上山综合边界角,结合预计下沉等线图和下沉曲线拟合图,选出下沉10 mm 的点到上山边界的距离约267.3 m,上山采深约716 m,故可求得上山综合边界角约69.5°。如果考虑松散层移动角,按45°计算,松散层厚度取10 m,根据边界角定义,可以计算出上山边界角约70.3°。

5.3 充分采动角

从预计下沉等值线可知,最大下沉点到工作面开切眼的距离约424 m,平均采深约716 m。根据地表移动角量参数中充分采动角的定义,倾向充分采动角取值约59.3°。

6 结语

针对地表复杂的山区地形特征,以山西山区某矿20210 工作面为例,提出了“以点求面”方法,依据遗传算法(GA)与RTK 实测结果,研究了复杂地形下地表移动盆地边界角量参数的取值思路。研究得出地表移动角量参数为最大下沉值853 mm,走向移动角59.0°,上山移动角73.1°,走向边界角59.4°,上山边界角70.3°,充分采动角59.3°,最大下沉角83.6°。