煤矿工作面覆岩移动变形规律预测及模拟研究

罗 君

（山西焦煤集团有限责任公司东曲煤矿，山西 古交 030200）

0 引言

在煤矿的实际生产中，随着工作面的不断推进，在地表上表现变形越来越严重，从而对其地表的建筑物和耕地造成破坏。为了实现煤矿的高效高产的生产效果，要求对工作面的煤炭资源最大限度的利用，需要掌握由于煤炭开采所导致的覆岩的变形规律[1-3]。目前，有效掌握工作面岩层和地表变形规律的方法为通过地表移动观测站对地表变形特征进行观测的基础上，综合采用数值模拟分析手段进行综合分析，最终得出较为准确的覆岩变形参数及规律[4-5]。本文将结合实践生产对某矿21132（全文简称21132）综采工作面的地表变形规律进行实测和数值模拟研究。

1 工程概况

本文以某矿21132 综采工作面为例对其生产期间的地表移动变形规律进行实测。21132 工作面为煤矿可开采的7 个工作面之一，该工作面的走向长度为1 156 m，倾斜工作面的长度为180 m，可采煤层的储量为189 万t。该工作面的顶底板条件如表1 所示。

表1 21132 综采工作面顶底板条件

2 地表移动变形规律实测研究

2.1 地表移动观测站的建立

为掌握21132 综采工作面在开采期间的地表变形量，需要在现场建立地表移动观测站。结合21132工作面的地质和煤层条件，并参照《煤矿测量规程》中的规定在现场布置两条观测线，分别走向观测线和倾向观测线，而且保证上述两条观测线均在地表移动盆地的主断面上，观测站的具体参数如表2 所示。

表2 21132 综采工作面地表变形观测站设计参数

2.2 地表变形实测结果

基于上述搭建的走向和倾向观测站对21132 综采工作面地表盆地的形成、地表下沉特征、地表倾斜和曲率特征以及地表水平移动和变形特征综合分析的基础上得到了该工作面走向和倾向观测线地表移动变形的最大值，观测结果如表3 所示。

表3 21132 综采工作面地表移动变形的最大值

3 覆岩移动变形规律研究

在上述对21132 综采工作面覆岩变形实际测定的基础上，本章节通过构建数值模拟仿真模型，对其移动变形规律进行分析。

3.1 数值模拟模型的构建与验证

为了保证后续通过数值模拟仿真模型分析所得的覆岩变形规律的准确性，本小节基于FLAC3D 软件构建数值模拟计算模型，并对模型的准确性进行验证。结合21132 综采工作面的煤岩层地质及其现场条件，构建如图1 所示的数值模拟仿真计算模型。

图1 数值模拟仿真计算模型

根据21132 工作面的岩层物理参数在图1 中的模型进行设置，并将其划分为34 200 个单元，其中包含有37 740 个节点。基于图1 中的数值模拟仿真计算模型对其推进800 m 时地表的下沉值与实测值进行对比，以此来验证所构建模型的准确性。地表变形的数值模拟结果与实测值对比如图2 所示。

图2 21132 地表下沉量实测值与模拟值对比

如图2 所示，基于所构建的数值模拟计算模型对21132 地表下沉量的模拟值与实测值相近，但是存在一定的误差。导致误差的主要原因可以归结为：21132岩层地质构造相对复杂，为了便于计算对其模型进行了简化；在现场实测过程中由于操作人员的差异性导致存在一定的测量误差。

经分析，可认为地表实测数据与基于数值模拟值基本一致，即验证了模型的准确性。

3.2 覆岩移动变形规律研究

基于上述所构建的数值模拟仿真计算模型，对21132 综采工作面上覆岩的垂直位移和应力分布规律进行仿真分析。仿真条件设置：开采长度设定为1 200 m，采高为10 m，工作面煤层倾角设定为0，开采深度设定为620 m。具体如下：

3.2.1 21132 综采工作面上覆岩垂直位移规律分析

为详细掌握21132 综采工作面在开采期间工作面的覆岩垂直变形规律，在分别距离顶板为100 m、150 m、200 m、250 m、300 m 和330 m 设置6 条垂直位移观测站，对工作面分别对推进200 m、400 m、600 m和800 m 时不同观测站的位移变形情况进行统计。以工作面推进400 m 为例，对应的在距离顶板不同距离位置的垂直位移变化如图3 所示。

图3 工作面推进400 m 上覆岩垂直位移监测结果

结合工作面推进200 m、600 m 和800 m 对应的垂直位移监测结果得出如下结论：随着工作面的不断推进，上覆岩的垂直位移从下向上呈现为逐渐减少的变化趋势，距离采空区的越近，其覆岩的垂直位移越大，并以采空区为中心岩层的垂直位移为中心对称分布。

3.2.2 21132 综采工作面上覆岩垂直应力规律分布

同样以工作面推进400 m 为例，对应的21132 工作面上覆岩垂直应力的变化如图4 所示。

图4 工作面推进400 m 上覆岩垂直应力变化情况

结合工作面推进200 m、600 m 和800 m 对应上覆岩垂直应力仿真结果得出，在工作面煤层顶板处其垂直应力为零；在工作面上方的地表处其垂直应力与两侧的原有地应力相近。总的来讲，随着工作面的不断推进，上方覆岩的垂直应力范围不断扩大，对应的地表沉陷盆地范围也不断扩大。

4 结论

综采工作面煤层的开采除了可以获得巨大的经济效益外，由于地下煤层的开采对其岩层的稳定性造成破坏，从而导致工作面所在区域的地表出现不同程度的变形甚至塌陷，严重破坏了当地的生态环境。因此，为了减小由于煤层开采所导致的地表沉陷以及采动损害等问题，对其地表变形规律的掌握非常重要。本文结合实践生产对21132 工作面的地表变形进行实测和模拟分析，总结如下：

1）根据21132 综采工作面地质条件和现场条件，分别构建了走向和倾向两个观测线对地表位移的变形进行实际观测，得出了最大下沉值、最大倾斜值、最大曲率值、最大水平移动值以及最大水平变形值。

2）通过数值模拟仿真分析得出，所构建的计算模型准确可作为后续模拟研究的模型。

3）通过模拟研究得出：随着工作面的不断推进，上覆岩的垂直位移从下向上呈现为逐渐减少的变化趋势，距离采空区的越近，其覆岩的垂直位移越大；同时，上方覆岩的垂直应力范围不断扩大，对应的地表沉陷盆地范围也不断扩大。