相邻工作面开采地表动态沉陷规律_汤伏全.pdf

相邻工作面开采地表动态沉陷规律 汤伏全赵军仪 1 （西安科技大学测绘科学与技术学院， 陕西 西安 710000） 摘要为研究同煤层老采空区影响下的相邻工作面开采地表移动变形规律， 在陕北榆神矿区金鸡滩煤矿建 立了GNSS连续变形监测系统， 通过对连续监测数据的分析处理， 并结合FLAC3D数值模拟， 揭示了同煤层相邻工作 面重复开采条件下的动态非对称性沉陷规律。研究表明 ①受同煤层老采空区影响， 相邻工作面在重复开采条件 下， 工作面中心两侧相同距离监测点的下沉值、 下沉速度、 水平位移及移动变形持续时间等并不相同， 表现出极不 对称性； ②已破坏的老采空区岩层对重复开采响应快速， 其移动变形更加敏感、 剧烈， 稳定时间较长； ③数值模拟分 析体现出， 相邻工作面开采条件下地表下沉系数增大了5， 倾向方向地表移动变形影响范围增大了35.7， 走向主 断面并未经过工作面中心， 而是偏向老采空区一侧30 m， 老采空区塑性破坏区高度增大了21.4。分析结果对于 相邻工作面重复采动条件下的地表移动变形预计、 矿区土地复垦及矿区地面建筑物保护具有一定的参考价值。 关键词开采沉陷GNSS连续变形监测系统相邻工作面重复开采数值模拟 中图分类号TD325文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -10-008-06 DOI10.19614/ki.jsks.201910002 Dynamic Surface Subsidence Law Caused by Mining in Adjacent Working Face Tang FuquanZhao Junyi2 （College of Geometrics， Xian University of Science and Technology， Xian 710000， China） AbstractIn order to study the law of mining surface movement and deation in adjacent working face under the in- fluence of old goaf in the same coal seam， a GNSS continuous deation monitoring system was established in Jinjitan Coal Mine in Yushen Mining Area， Northern Shaanxi Province.Through analysis and processing of continuous monitoring data， com- bined with FLAC3Dnumerical simulation， the law of asymmetrically dynamic subsidence of adjacent working face in the same coal seam under repeated mining conditions was revealed. The study results show that①the subsidence value， subsidence ve- locity， horizontal displacement value and movement deation duration of monitoring points on both sides of the working face center with the same distance are quite different under the condition of repeated mining and the influence of old goaf in the same coal seam， showing extremely asymmetry； ②the rock strata in the old destroyed goaf makes quick response to repeat- ed mining， resulting in that its movement and deation are more sensitive and violent， with long-time stability； ③through numerical simulation analysis， the coefficient of surface subsidence increases by 5 in adjacent working face under mining conditions， the influence range of surface movement and deation in dip increases by 35.7， the main section in strike does not pass through the center of the working face， but inclines to one-side of the old goaf for 30 m， the height of the plastic failure zone in the old goaf increases by 21.4.The above study results are of some significance to gain the prediction of sur- face movement and deation under repeated mining conditions in adjacent working faces， land reclamation in mining areas and the protection of ground buildings in mining areas. KeywordsMining subsidence， GNSS continuous deation monitoring system， Adjacent working face， Repeated min- ing， Numerical simulation 收稿日期2019-09-02 基金项目国家自然科学基金项目 （编号 51674195） ， 陕西省自然科学基金项目 （编号 2016JM5048） 。 作者简介汤伏全 （1966） ， 男， 教授， 博士， 博士研究生导师。 总第 520 期 2019 年第 10 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 520 October 2019 矿产资源高强度、 大范围开采使得矿区生态环 境问题日益突出， 对于开采沉陷区的实时动态监测 是研究矿区开采沉陷规律、 解决矿区环境问题的关 键环节。常规监测方法在影响区域建立地表移动观 测站， 通过水准测量、 三角高程测量、 导线测量等方 法获取监测点三维坐标数据， 达到地表沉陷监测的 开采损害防治 8 ChaoXing 目的。然而， 常规监测方法野外测量工作量大、 环境 因素影响较大， 难以对监测点实施连续、 实时与自动 化监测。目前， 随着GNSS技术、 三维激光扫描技术 及D-InSAR技术等新兴测绘技术的发展， 开采沉陷 监测正向自动化、 系统化、 网络化方向发展。其中， 以GNSS定位技术为基础， 结合网络通信、 数据库等 技术的GNSS连续变形监测系统， 实现了实时监测数 据采集、 数据传输、 数据处理分析、 开采沉陷预警的 一体化 ［1-3］， 监测数据通过卡尔曼滤波等算法进行处 理 ［4］， 其平面及高程精度相较于常规RTK测量有了大 幅度提升， 测量成果稳定可靠， 满足开采沉陷监测精 度要求。 近年来， 单一工作面开采引起的地表移动变形 规律已成理论化、 体系化， 并广泛应用于矿区地表移 动变形预计及地面控制等具体问题研究中 ［5］。然而， 随着煤矿开采技术的不断提高、 煤矿需求量的增加， 煤矿开采量逐年增加， 多煤层重复开采、 厚煤层分层 开采、 同煤层多工作面开采等重复开采方法已得到 广泛应用 ［6-11］。相比于单一工作面开采， 多工作面重 复开采条件下的地表移动变形具有一定的特殊性。 王悦汉等 ［8］研究认为重复采动条件下地表下沉系数 与两煤层之间的间距、 采厚及初次采动下沉系数有 关， 并推导出了不同煤层重复开采条件下地表及覆 岩下沉系数的计算公式。然而， 目前对于同一煤层 相邻老采空区影响下的煤矿开采地表动态沉陷规律 的研究成果较少， 传统的开采沉陷理论及地表变形 预计模型已无法准确反映相邻工作面开采引起的地 表移动变形特征。本研究通过对我国陕北榆神矿区 金鸡滩煤矿设置GNSS连续变形监测系统， 并对系统 的实时测量资料进行处理分析， 在此基础上结合 FLAC3D数值模拟分析方法， 研究老采空区影响下的 同煤层相邻工作面开采地表动态移动变形规律。 1工作面概况及监测站布设 研究区位于陕西省榆林市榆阳区金鸡滩煤矿， 地处毛乌素沙漠与陕北黄土高原接壤地带， 区内以 沙漠滩地为主， 地形较平缓， 岩性以粉粒及细粒砂岩 为主， 中粒及粗砂岩次之。106工作面位于一盘区西 南部， 走向长度5 538 m、 倾向长度300 m， 煤层倾角 平均0.5， 平均采深262 m， 平均采高5.7 m。106工 作面走向左侧为同煤层老采空区108工作面， 走向长 度5 223 m、 倾向长度300 m， 煤层倾角平均0.5， 平均 采高5.4 m。沿106工作面走向方向右侧为未采动区 域， 工作面具体平面位置如图1所示。 因108工作面为已停采区， 其上覆岩体已产生破 裂、 离层以及变形。根据覆岩 “活化” 机理 ［9-10］， 当复采 同煤层相邻106工作面时， 势必会引起108老采空区 上覆岩层 “活化” 而产生二次破裂。为研究106工作 面在开采过程中受已开采108工作面影响下的地表 移动变形规律， 在研究区上方地面建立了6个GNSS 地表移动变形连续观测站， 其中， 监测点JC03、 JC06 位于106采空区走向中心线上， JC01和JC05、 JC02和 JC04分别对称布设于JC03点两侧， 各监测点位置如 图1所示。 2基于实测数据及原有资料的移动变形参数 分析 2. 1地表下沉及水平移动特征分析 2. 1. 1下沉值 通过对各监测点的GNSS连续监测数据进行内 业整理， 得出各监测点各时期的下沉值。选取106工 作面地面倾向观测线上各点从开始移动至最终趋于 稳定期间共7期的监测数据进行分析， 整理得出106 工作面推进过程中不同时期倾向观测线上各监测点 的地表下沉折线图， 如图2所示。 由图2可知 随着工作面不断推进， 各监测点地 表下沉量逐渐增大， 最后趋于稳定； 受当前106工作 面走向左侧老采空区108工作面的影响， 106工作面 中心两侧相同距离监测点的下沉值并不相同， 表现 出极不对称性， 即老采空区地面点的下沉值普遍大 于同距离未采区的地面点。以与106采空区中心的 水平距离均为150 m的JC02 （老采空一侧） 、 JC04 （未 采区一侧） 监测点为例， 至2018年12月20日， 各监测 2019年第10期汤伏全等 相邻工作面开采地表动态沉陷规律 9 ChaoXing 点位趋于稳定， JC04点下沉值为159 mm， 而JC02点 下沉值已达860 mm， 是JC04点的5.4倍。同理， 老采 空区一侧与 106 工作面中心水平距离为 300 m 的 JC01监测点各时期的下沉值都大于同距离未采区一 侧的JC05监测点。 2. 1. 2沿倾向方向的水平位移 选取倾向观测线上各点从移动初期至趋于稳定 期间共7次监测数据， 绘制了106工作面推进过程中 不同时期各监测点沿倾向方向的水平位移曲线， 如 图3所示。 由图3可知 106采空区两侧各监测点沿倾向方 向的水平移动都指向移动盆地中心， 但其移动量差 异明显， 即 108老采空区一侧地面点的倾向方向移 动量明显大于同距离未采区一侧的地面点。根据一 般开采沉陷规律， 倾向水平移动曲线以盆地中心反 对称分布， 在最大下沉点处倾向方向水平位移为0， 但受老采空区108工作面的影响， 水平移动曲线并不 以采空区中心JC03点反对称分布， 且JC03点稳定后 存在指向老采空区一侧的水平位移， 老采空区地面 点的水平移动值普遍大于同距离未采区的地面点。 以JC02、 JC04监测点为例， 至2018年12月20日， 各监 测点位置稳定， 稳定后 JC04 点的水平位移为 249 mm， 而JC02点的水平位移为453 mm， 差异明显。 分析认为， 106工作面开采时， 因同煤层相邻老 采区108工作面的影响， 106工作面上覆部分岩体 （靠 近108工作面一侧） 在开采前已产生破裂、 离层， 因此 初次采动后受影响区域的岩体内部已存在一定的碎 胀变形， 当106工作面开始推进时， 其上覆岩体再次 破裂、 离层， 但其碎胀量较初次采动的碎胀量小 ［8］。 因此， 重复开采后地表沉降量及水平移动较初次采 动有所增大， 即产生所谓的 “活化” 现象， 而106工作 面靠近未采区一侧因距离108老采空区较远， 未受老 采空区影响， 使得该侧地面点的移动变形量较老采 空区一侧的地面点小。 2. 2下沉速度特征分析 矿区构建的GNSS连续监测系统每小时解算一 次各监测点三维坐标数据， 为地表动态移动变形特 征研究提供了丰富的数据支撑。此外， GNSS连续监 测系统也可实现各时间尺度的移动变形分析。跟据 106工作面各地面监测点的实时监测数据， 可得倾向 监测线上采空区中心两侧同距离监测点 （JC01、 JC02、 JC03、 JC04和JC05） 在工作面推进过程中的最 大下沉速度分别为8、 48、 507、 9、 1 mm/d。 分析可知 受老采空区影响， 106工作面两侧监 测点的最大下沉速度差异明显， 老采空区地表点的 最大下沉速度比未采区一侧地面点大， 而地表最大 下沉速度与开采条件、 采动程度及覆岩岩性等有直 接关系 ［12］。对于106工作面而言， 在其他开采条件不 变的情况下， 导致采空区中心两侧地面点下沉速度 差异的因素即为采空区两侧岩性差异， 即108老采空 区上覆岩层经初次采动已破坏弱化， 当重复开采相 邻106工作面时， 老采空区一侧已破坏的岩层对地下 开采响应快速， 导致地表移动变形速度加快 ［8］。 2. 3地表移动持续时间 本研究将各监测点的移动过程分为3个阶段 开始阶段 （自下沉量为10 mm时至下沉速度达1.67 mm/d的阶段） 、 活跃阶段 （下沉速度大于1.67 mm/d的 阶段） 、 衰退阶段 （下沉速度小于1.67 mm/d至每月下 沉小于5 mm的阶段） 。整理得出采空区两侧边界地 面监测点JC02和JC04的移动持续时间及相关阶段 数据如表1所示。 由表1可知 ①开始阶段， JC02点 （老采空区一 侧） 的持续时间占总移动时间的3.6， 下沉量占总下 沉值的2.4， 而该阶段JC04点 （未开采区一侧） 该阶 段的持续时间占总移动时间的13.7， 下沉量占总下 沉量的10， 说明106工作面开采时， JC02点比JC04 点更加敏感， 很快进入移动活跃期； ②活跃阶段， JC02点的持续时间占总移动时间的38， 该阶段下 沉量占总下沉值的91.1， 而该阶段JC04点的持续时 间占总移动时间的47.9， 阶段下沉量占总下沉量的 88.2， 说明该阶段JC02点移动变形较JC04点剧烈； 金属矿山2019年第10期总第520期 10 ChaoXing ③稳定阶段， JC02 点的阶段下沉量占总下沉值的 6.5， 但是该阶段持续时间却占总移动时间的 58.4， 说明JC02点比JC04点稳定更慢。由此说明， 老采空区一侧覆岩及地表在重复采动时比未扰动区 更加敏感， 已破坏的岩层对地下开采响应快速， 移动 开始阶段时间较短， 很快便进入移动活跃期， 且活跃 阶段地表移动变形剧烈， 稳定阶段时间较长。 3数值模拟试验分析 本研究建立的GNSS连续监测系统虽然能获取 各监测点的实时坐标数据， 但受经济等条件限制， 监 测点数量有限， 难以全面反映研究区域的开采沉陷 规律。为进一步分析相邻工作面开采地表移动变形 特征， 现利用大型非线性有限差分软件FLAC3D建立 相同工作面尺寸、 开采厚度 （5.4 m） 、 工作面之间煤柱 宽度、 覆岩性质等条件下的数值模拟模型， 分别对 108工作面未采动下开采106工作面以及108工作面 开采后复采相邻106工作面条件下的地表移动变形 进行数值模拟分析。 地下开采使得岩体移动破坏、 岩体内部应力重 新分布， 从而导致岩体内部产生塑性破坏区［12-17］。 FLAC 3D虽然无法形象模拟出岩层在开采工程中的离 层、 开裂及破碎垮落等状态， 但通过结合开采过程中 覆岩各方向的位移、 应力以及塑性破坏区的变化情 况， 能有效反映出地下开采引起的地表及岩体内部 移动变形机理 ［15-16］。根据108工作面开采前后模型 塑性变形区高度变化、 采空区垂直方向矿压变化及 相关地表移动变形参数变化情况， 探究106工作面开 采受同煤层相邻108老采空区影响下引起地表移动 变形差异性的原因， 分析重复采动条件下覆岩内部 的移动破坏规律。 3. 1塑性变形区分析 108工作面未采动下开采106工作面 （条件1） 和 开采108工作面后复采相邻106工作面 （条件2） 两种 条件下的覆岩塑性破坏区如图4所示。 对比图4 （a） 和图4 （b） 可知 106工作面开采后， 其覆岩塑性破坏区的最大高度并未因同煤层相邻 108老采空区的影响而增高； 因108、 106工作面开采 条件相同， 重复开采106工作面使得108老采空区覆 岩塑性破坏区高度明显增大。经测算， 单独开采106 工作面时， 其塑性破坏区最大高度为117 m； 108工作 面开采后复采106工作面时， 108老采空区塑性区最 大高度为142 m， 增大21.4， 而106采空区一侧塑性 区一侧的最大高度仍为117 m。 3. 2应力分析 108工作面未采动下开采106工作面 （条件1） 和 开采108工作面后复采相邻106工作面 （条件2） 两种 条件下的覆岩垂向应力分布如图5所示。 相比于单一工作面开采， 重复开采条件下， 新老 采空区上覆岩体应力应变经历了平衡初次扰动 初平衡再扰动再平衡的复杂过程 ［9］， 最终随着破 断岩体压实闭合程度逐渐增大， 采空区与周围岩体共 同承担采场应力。由图5可知 工作面开采后， 岩体 内部形成了明显的支撑压力区和卸载压力区， 且采空 区两侧局部压应力增大且集中， 为支撑压力区 ［18-23］； 采 空区上方区域处于受拉状态， 结合覆岩抗拉强度并 结合图4中覆岩塑性破坏区分布， 该区域产生了拉裂 破坏。对比图5 （a） 和图5 （b） 可知 在108老采空区影 响下， 同煤层相邻106工作面重复开采后其拉裂破坏 区高度并未增大， 但两工作面中间区域由于煤柱及 其上部岩体部分被压破坏， 其支撑荷载能力减弱， 被 压碎部分挤向采空区， 致使106工作面两侧岩体支撑 压力区不对称， 从而使得地表移动变形差异明显。 3. 3地表移动变形参数分析 表2为分别模拟单独开采106工作面以及先采 2019年第10期汤伏全等 相邻工作面开采地表动态沉陷规律 11 ChaoXing ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ 108工作面后采相邻106工作面情况下的地表移动参 数。 模拟结果表明 相比于单采106工作面， 复采老 采空区相邻同煤层106工作面时， 地表最大下沉值略 有增加， 下沉系数增大了5； 单采106工作面时， 其 倾向方向两侧边界角均为58， 首采108工作面复采 相邻106工作面时， 靠近未采区一侧边界角为58， 而 靠近108老采空区一侧的边界角为33， 明显减小， 即 老采空一侧的地表移动变形影响范围明显增大， 经 计算， 倾向方向影响范围增大了35.7。同时， 模拟 发现重复开采同煤层相邻106工作面时， 其地表最大 下沉点并非位于采空区中央上方， 而是偏向于老采 空一侧30 m， 且地面下沉曲线不以最大下沉点对称 分布， 老采空区一侧地面点的下沉值普遍大于同距 离未采区一侧的地面点， 即走向主断面两侧地表移 动变形差异明显。 4结论 （1） 相比于单一工作面开采， 受108老采空区影 响， 同煤层相邻106工作面重复开采条件下的地表移 动变形具有一定的特殊性， 采空区两侧地表移动变 形差异明显， 具体表现在 ①108老采空区一侧地表 对地下开采响应快速， 地表移动开始阶段时间较短， 很快进入移动活跃期， 且活跃阶段地表移动变形剧 烈， 其稳定阶段时间较长； ②稳定后106采空区中心 上方地面点并非最大下沉点， 走向主断面偏向老采 空区一侧30 m， 且倾向地表下沉曲线不以最大下沉 点对称分布， 老采空区一侧地面点的下沉值及下沉 速度普遍大于同距离未采区一侧的地面点； ③受108 老采空区影响， 相邻106工作面开采后地表下沉系数 增大了5， 工作面倾向方向上地表移动变形影响范 围增大了 35.7； ④相邻 106 工作面重复开采使得 108老采空区塑性破坏区高度增大了21.4。 （2） 相邻工作面开采对老采空区起重复扰动作 用。老采空区上方已破断的岩层稳定性差、 岩性软 化， 几乎不具有承载能力。在同煤层相邻工作面重 复开采时， 已破坏的岩层对地下开采响应快速， 上覆 岩层迅速下沉，降低了移动值在岩层中的衰减速 度， 使得老采空区一侧地表下沉较剧烈， 塑性破坏区 扩大， 即当前工作面主断面两侧地表移动变形出现 极不对称性， 差异明显。 参 考 文 献 吕伟才.煤矿开采沉陷自动化监测系统研究 ［D］ .徐州 中国矿业 大学， 2016. 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