深部开采条件下地表沉陷规律研究

余华婷 秦续峰 李云昊 杨荣艳

辽宁大学 辽宁沈阳 110000

近年来,国内大范围、高强度的煤矿开采导致了矿区岩层和地表出现变形、移动、垮落和裂缝等一系列破坏现象。如煤矿区的开采工作会导致上覆岩层发生沉降,进而引发地表形态的迁移变化,并会对植物的根系造成损伤,使生长在沉陷区的地表植被遭到损毁。因此,探讨深部开采条件下地表移动变形、沉陷规律,对于采空区的生态环境治理和稳定发展具有重要的意义,能够为沉陷区生态恢复提供指导依据。

随着煤炭开采向深部发展,由深部开采带来的沉陷问题也逐渐引起国内外学术界的关注。20世纪90年代末,南非政府启动“Deep Mine”计划,号召各国深井矿山研究领域的专家进行相关的技术研究,丰富了地表移动变形的理论与研究方法。K.B.Singh等对地表塌陷坑的形成机理以及地表塌陷预测方法进行了研究。于广明等分析了深井开采地表破坏的复杂性,对深井开采地层再破坏进行了研究。许家林等采用关键层理论研究了上覆岩层移动及地表移动变形的控制机理,并提出了考虑关键层特征的深部开采沉陷预测方法。李军民、武治普等通过实测数据对深部极不充分采动条件下地表移动特征进行了分析。刘义新、郭文兵等采用数值模拟的方法研究了深部条带开采下沉系数与采厚的关系。刁晓鹏等通过对开采沉陷规律的研究,确定了地表沉陷的影响范围和边界。这些研究成果在生产实践中起到了重要的作用,但在大量的实际应用中发现,由于现采用的预测方式较为单一,普遍使用概率积分法对地表沉陷进行预测,缺少对煤层顶板条件、覆岩运移特征等因素的综合考虑。因此,亟须基于深部开采条件下的覆岩运移规律和机理,预测深部开采地表沉陷规律。本文以某矿西三采区702综采工作面为工程实例,运用相似材料模拟实验模拟了深部开采工作面演化的全过程,并采用Abaqus数值模拟软件进行了辅助验证与比对,对深部开采地表沉陷规律进行了分析研究,旨在为矿区的地质生态环境灾害监测与预警提供理论依据。

1 工程概况

某矿井田面积为49.1km2,矿井主采7#煤层、12#煤层和13#煤层。其中,7#煤层位于山西组底部砂岩之上,为复合煤层,由7-1煤、7-2煤、7-3煤组成。煤层底板高程-1100～-1040m,埋深1060～1122m。西上三采区702综采工作面位于西三上采区胶带下山以北,北至7煤层风化带,东临北二区7煤采空区及西一区700采空区,西为未采动区。设计长度2418m,可采走向长度2206米,工作面倾斜长度200m,开采深度为1082m,煤层平均厚度2.15m,夹矸厚度1.05m,设计采高3.2m。直接顶主要为黑灰黑色泥质粉砂岩、黑色泥岩与少量灰白、褐色中、细粒石质砂岩互层,平均厚度10.3～13m;基本顶主要为粉砂岩,平均厚度7.6～10m;底板为0.61m厚的泥质粉砂岩与8.88m厚的中砂岩。

表1 采区岩层岩性及厚度

2 702工作面地表沉陷规律相似材料模拟研究

2.1 模型建立

为模拟深部开采条件对覆岩和地表移动变形的影响,建立几何比为1∶600的相似材料模型,模拟实验使用的实验台尺寸为长×高×厚=1.8m×1.2m×0.2m。

2.1.1 相似材料模拟配比

(1)相似模拟实验以相似理论为基础,采用二维平面模型,沿煤层走向对工作面走向剖面进行开挖模拟。模拟模型尽力满足原型的相似条件,构建与实地情况相似的围岩及煤层环境。

结合现场实际数据,试验具体相似比例如下:

表2 模型相似比例

在进行相似材料实验时,先电子秤称量出全部所需材料,加入定量的水进行搅拌直至均匀混合。将配置好的材料倒入实验台,进行铺平、砸实后,均匀倒入片状云母进行分层。按照上述流程将模型堆砌完毕后,将正面挡板全部安装到实验台,让模型静置一段时间以干燥定型。

2.1.2 相似材料模拟观测点布置

2.1.2.1 岩层及煤柱位移监测

模型采用散斑法对覆岩及地表移动进行监测,从模型距地表5cm的岩层处开始布设位移监测点,水平方向与竖直方向监测点间隔为5cm,由上至下依次设置监测线编号,共792个位移监测点,具体位置见图1。监测设备使用两台CCD相机进行拍摄,拍摄频率为2s/次。

图1 模型位移观测点

2.1.2.2 应力监测

使用土压力盒及应变仪对模型在开采过程中的应力变化进行监测,如图2所示,在基本顶中水平布置共6个监测点,从左至右依次编为1～6号,相邻两监测点间距20cm,其中4号监测点位于预留煤柱位置正上方。在煤层中水平布置共4个测点,从左至右依次变为7～10号。

图2 压力监测点布设

2.1.3 开采方案

从模型左侧20cm处开切眼开始挖掘,一直向右侧推进60cm后停止。留8cm煤柱后继续从模型右侧开始挖掘相邻工作面,同样推进60cm后停止挖掘。此次挖掘过程不设停留时间,连续挖掘直至两工作面开采完毕。

2.2 实验结果分析

2.2.1 围岩应力变化规律

本研究对顶板厚度为18m时相似材料模型的基本顶和煤层进行应力监测,得到的围岩应力变化情况见图3。

图3 1～10号测点应力变化曲线

如图3所示,1～6号测点记录了左右两个工作面开采过程中基本顶的应力变化情况,其中4号测点位于两工作面间煤柱正上方。7～10号测点记录了左右两个工作面开采过程中煤层的应力变化情况,其中9号测点读数始终为0,可能是测试仪器安装错误所导致。

工作面回采初期,受超前支撑压力的影响,各测点应力开始缓慢增加,并且随着开采工作的进行,围岩和基本顶应力呈阶梯状上升趋势,当推进到测点所在位置时由于煤体被采出形成采空区,出现明显卸压效果。由于此时岩层自身的稳定结构未被完全破坏,同时直接顶垮落填充采空区缓解部分卸压效果,一段时间后基本顶中应力出现继续升高趋势,但其增长幅度低于卸压前,且最大值略小于岩层初始应力。当工作面推进到1号测点位置时,出现卸压效果此时应力为0.1MPa左右,卸压持续一段时间后因直接顶发生垮落填充采空区及岩层自身结构影响,应力再次增加,当增加到0.25MPa时基本顶发生垮落,此后直至开采结束测点读数为0MPa,且发生垮落时应力峰值小于岩层初始应力。3号测点处出现两次卸压现象,这可能是由于工作面推进到此处时,因为直接顶发生垮落填充造成第一次卸压现象,又因为持续的开采扰动在岩层内出现裂隙使3号测点附近岩层结构松散出现第二次卸压现象,卸压持续一段时间后又出现应力略微上升,最终直接顶发生垮落,读数归零。5号、6号两测点位置基本顶同时发生垮落,这是由于右侧工作面经过6号测点时发生卸压,当继续推进到5号测点位置时岩层内积聚能力超过其强度,未出现卸压而是突然发生垮落并同时连带6号测点位置基本顶也发生垮落,此现象类似于冲击地压灾害。

煤柱位置煤层未被采出,直接顶不随采动发生垮落岩层无法卸压导致内部应力不断累积,出现应力高度集中现象。在实际生产中,由于其应力高度集中的特性煤柱附近区域也是冲击地压多发地带,不同形状的煤柱更可能会受到多方向的应力叠加,应该时刻注意防冲减灾。

10号测点为右侧工作面煤层位置的应力变化曲线,当推进到该点位附近时,煤层中的应力迅速增大,与基本顶各测点相比由于其直接受到开采扰动影响,应力变化速率较大,因此工作面前方煤壁处也是冲击地压灾害易发区域。

2.2.2 覆岩移动规律

为了研究开采后地表及覆岩运动情况,本文利用散斑法进行位移监测,处理数据后得到如下地表及覆岩运动曲线图并进行分析。

图4 覆岩移动情况

上图为模型覆岩移动情况曲线图。从图中可以看到,距离模型地表最近的1号监测线最大下沉量为0.81mm等同于实际下沉48.6cm,距离模型地表最远的18号监测线最大下沉量为1.23mm等同于实际下沉73.8cm。

开采过程中贴近地面的观测线沉降相对不显著,距离开采煤层较近的第16、17、18号监测线的下沉量明显大于在同一位置的第1、2、3号监测线下沉量。整体上看,距离煤层越近沉降表现越明显,下沉值和下沉范围不断变大,第1、2、3号监测线下沉曲线较为平缓,第16、17、18号监测线的下沉速度明显增大,最大下沉值接近。但第18号监测线在450～600mm处下沉曲线的底部呈现水平趋势,此时采区已达到充分采动。这是由于开采过程中上覆岩层在自身重力的作用下向采空区发生弯曲,同时这一变形趋势会逐渐向地表方向发展,在发育过程中由于岩层自身的稳固结构这种变形趋势会逐渐减弱,使地面附近的沉陷量远小于工作面附近岩层的沉陷量。

同时,800～1000mm位置监测线的沉陷量较周围两侧均有着明显区别,这一现象在距开采煤层最近的第18号监测线中最为明显。这是由于此位置是两工作面间的预留煤柱区域,上覆岩层结构较为稳定,沉陷量明显较小。

3 地表沉陷规律数值模拟研究

3.1 计算模型

本文通过Abaqus数值模拟软件对红阳三矿西三采区702综采工作面进行模拟,设计三维地质模型尺寸为3000m×800m×1120m,开采深度1003m,煤层厚度3.2m。根据现场实际地质条件,将模型地层划分为13层。为了更好地还原工作面顶底板的受力情况,模型在x=0和x=3000的平面边界处施加了位移约束;在y=0和y=800的平面边界处施加了位移约束;同时设置模型顶部为自由边界。

3.2 模拟方案

为了真实地反映深部开采条件下的地表沉陷规律,研究设计了以下的模拟方案:

(1)沿工作面的走向和倾向中央位置设置两条监测线,走向监测线长度为3000m,倾向监测线长度为800m,如图所示:

图5 监测线布置

(2)倾向工作面沿y向布置;沿x向推进开采,起采线为x=300m;开采的步距为100m,共分17次完成开采,工作面总的开采长度为1700m。

3.3 计算结果与分析

3.3.1 地表动态沉陷特征

选取工作面推进100m、300m、600m、900m、1200m、1500m、1700m后的沉降情况进行对比分析,得到模型地表竖向位移曲线图和地表沿倾向位移曲线图,如图6、图7所示。由图可知,工作面推进初期,沉陷显现不明显,但沉陷速率呈增加趋势。当工作面推进至900m时,沉陷开始呈现盆地走势,沉陷量达到20.72cm。随着推进距离增大,采空区范围增大形成悬臂梁结构。同时,沉降量最大值增大且最大值点不断前移,沉陷程度加深且范围逐渐扩大。由于岩层结构存在一定稳定性,此时应力发生重新分布使岩层运动趋于平缓,沉陷速率不断减小。当推进到1700m位置采停线处,沉陷量达到最大值30.75cm,沉陷速率不为0,依然处于非充分采动状态。同时,监测线上同一点位的沉降量随工作面推进持续增大,沉降量最大值点位于倾向地表400m处,且两侧沉陷曲线近似呈现对称状态。

图6 模型地表沿走向位移曲线图

图7 模型地表沿倾向位移曲线图

3.3.2 地表生态环境影响分析

地表变形对于植被的影响通常分为短期影响和长期影响,其中长期影响主要是由于地表的运移和下沉改变了水文过程,进而影响植被的生存环境,使矿区植被的群落结构发生改变。研究表明,植被多样性和覆盖率均受到地表坡度的影响,当坡向数值提高时,区域地表水分蒸发速率加快,导致植被群落生长缓慢或停滞。从高程上来看,沉陷区中心处在降雨径流的影响下,养分和水分相对充足,草本植被与灌木植被的生物量显著增加。由此可见,在开采活动与覆岩结构的双重影响下,红阳三矿矿区地表持续下沉会导致矿区植被退化,大面积的乔木植被退化为灌木和草本植被,致使矿区植被格局单一化。同时,沉陷低洼区主要以灌木与草本植被为主,随着高程增加、地势趋于平缓,乔木类植被开始生长,数量呈现上升趋势。

结语

随着人类对资源的需求和采掘机械化程度的不断提高,浅部资源逐渐枯竭,越来越多的矿井逐步进入深部开采。本文以深部开采条件下的沉陷问题为研究对象,对地表沉陷的机理和预测方式进行了研究,主要得到以下结论:

(1)接近开采工作面的岩层沉降表现更明显,下沉量和下沉范围相对较大,同时产生由地表动态变化引起的开裂、离层等现象。从下沉曲线形状看,近地表处岩层下沉量相对较小,离层现象不显著。

(2)对于地表固定测点,沉陷速度呈现先增加后减小的趋势。当采区达到充分采动后,下沉面积仍持续增大,但下沉量最大值不再增加。

(3)随开采活动的进行,推进到测点所在位置时发生明显卸压现象,而后基本顶中应力继续升高,但小于原岩应力。右侧采区由于二次扰动,未出现卸压直接垮落,此现象类似于冲压地压灾害。

(4)地表沉陷对植被的影响主要以改变水文条件为前提,发生沉陷后矿区低洼区域养分与水分富足,易培养草本植被与灌木植被;随着高程增加,可适当栽培乔木植被,以增加矿区植被群落多样性。