厚松散层下多煤层重复开采地表移动规律_蒯洋.pdf

第 46 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.2 2018 年 4 月 COAL GEOLOGY The University Science Reaearch Key Project of Anhui ProvinceKJ2018A003 第一作者简介 蒯洋，1991 年生，男，安徽合肥人，硕士研究生，从事矿山开采沉陷及生态环境治理等方面的研究工作. E-mailkuaiy91. 通信作者 刘辉，1982 年生，男，山东肥城人，博士，副教授，从事开采沉陷及变形监测方面的教学与科研工作. E-maillhui99 引用格式 蒯洋，刘辉，朱晓峻，等. 厚松散层下多煤层重复开采地表移动规律[J]. 煤田地质与勘探，2018，462130–136. KUAI Yang，LIU Hui，ZHU Xiaojun，et al. Study on surface movement characteristics of repeated mining under thick alluvium[J]. Coal Geology 2. School of Mining and Geomatics, Hebei University of Engineering, Handan 056038, China; 3. Ping An Mining Engineering Technology Research Institute Co., Ltd., Huainan 232001, China Abstract In order to study the influence of multi-seam repeated mining under thick alluvium on surface movement, the surface movement characteristics of Guqiao coal mine repeated mining were analyzed based on the geological and mining conditions of Huainan coal mining area. Then FLAC3D numerical simulation model of multi-seam re- peated mining under thick alluvium was built, and the surface deation characteristics and the relationship be- tween the number of parameters and mining times were analyzed. Research results showed that when the first mining under thick alluvium surface subsidence factor is greater than 1, the alluvium is gradually compacted. The surface subsidence coefficient presents the tendency of linear increase with the mining times, but the mining sub- sidence coefficient tends to be stable when the mining time reaches three as the alluvium has been compacted gradually. When the goaf reaches the supercritical size, the boundary of subsidence basin is no longer increased, but is affected by the mining depth. The tangent of main effect angle and the limit angle have linear increase rela- tionship with mining times. The results provide theoretical basis and technical reference for studying the surface movement characteristics under thick alluvium. Keywords thick alluvium; repeated mining; surface movement and deation; numerical simulation; mining times ChaoXing 第 2 期 蒯洋等 厚松散层下多煤层重复开采地表移动规律 131 煤炭资源作为中国主要支撑能源，为经济快速 发展提供了有利的保障。高强度、大规模煤炭资源 开采使得我国东部矿区面临大量浅埋煤炭资源枯竭 的问题，为了保证稳定的生产能力，煤矿开采的深 度逐渐增大，这使得重复开采现象越来越常见。在 我国东北、华北、华中及华东的两淮、兖州、大屯 等矿区普遍存在着厚松散层[1-3]，由于松散层土体与 基岩的力学特性差别较大，物理力学性质较弱，导 致厚松散层重复开采条件下地表移动变形规律与常 规矿区明显不同。为了准确预测及控制厚松散层下 重复采动引起的地表沉陷灾害，需要深入研究厚松 散层下重复采动地表移动变形规律。 国内外学者对重复开采进行了大量的理论和实 测研究，其中代表性的成果有煤层底板隔水层承 载变形特征及其破坏机理[4]，覆岩裂隙经历重复采 动后呈现椭圆抛物带状，其演化规律是上覆岩层经 重复卸压，压实区发生收缩效应，裂隙区则继续发 育，且覆岩在重复采动后的垂直应力呈现减小的趋 势[5-6]，进行了重复开采覆岩裂隙发育的时间效应 及重复开采覆岩破坏预测研究[7]，表明重复采动条 件下地表沉陷变形剧烈，下沉盆地陡峭，地表下沉 系数大，移动角较小[8-9]。以上研究为重复开采地表 移动规律提供了理论参考，而厚松散层作为影响地 表移动的重要因素，尤其是在多煤层重复开采时， 地表变形更为复杂，主要表现为下沉系数大于 1、 移动盆地收敛缓慢、活跃期持续时间长等特点。 为了充分揭示厚松散层下重复开采地表移动规 律，以淮南矿区典型厚松散层地质采矿条件为例， 在分析地表实测数据的基础上，采用 FLAC3D数值 模拟软件建立计算模型，研究了地表移动参数与采 动次数之间的关系，获取了厚松散层矿区重复采动 地表移动变化规律，为厚松散层重复开采地表移动 预测提供了可借鉴的理论和方法。 1 研究区概况 淮南矿区位于安徽省淮南市的中北部，淮河流 域中段，煤炭资源十分丰富，是我国 14 个亿 t 级煤 炭基地和 6 大煤电一体化基地之一，矿区东西长 约 100 km，南北倾斜宽约 30 km[10-11]。 地下煤炭资源被开采后最终会在地表出现比采 空区面积大得多的塌陷区，严重地破坏了地表移动 盆地范围内的道路、河流、建筑物及生态环境等。 由于淮南地区的地下潜水位较高，容易导致塌陷区 域积水，矿区土地大量减少，影响居民的正常生活 及生产活动。 现阶段淮南矿区的开采重心转移至淮河以北的 潘谢煤田，其中顾桥矿位于潘谢煤田西南部，为厚 松散层下开采中厚特厚煤层的大型矿井。本文研 究的顾桥煤矿 11171首采面与正上方约 70 m 的 11173复采面为垂向重复开采，11171工作面走向 长约 2 615 m， 倾向长约 245 m， 主采煤层 11-2 煤层， 煤层平均厚度 3.1 m，其顶板主要由泥岩、砂质泥岩 及中、细砂岩等组成。11173复采工作面走向长约 2 900 m，倾向长约 240 m，主采煤层 13-1 煤层，煤 层平均厚度 3.5 m。两煤层平均倾角 5，为近水平煤 层，走向为超充分采动，倾向为非充分采动。上覆松 散层厚度平均 430 m，矿区煤系综合柱状图见图 1。 具有开采深度大、煤层厚、煤层倾角小等特点。 图 1 淮南矿区煤系综合柱状图 Fig.1 Stratigraphic column of Huainan coal mining area 2 实测资料分析 在 2 个工作面上方布设了地表移动观测站， 观测站在地表移动盆地主断面上采用十字线布 置，观测点平均间距 30 m，走向线累计布设 96 点，倾向线累计布设 76 点，如图 2 所示[12]。根据 地表移动观测结果，分别绘制首采及复采工作面 完成后的地表最终下沉曲线图 3，地表变形移动 参数如表 1 所示。 由以上数据可以看出，厚松散层下开采地表移 动符合常规地质采矿条件的一般规律，但地表下沉 系数大于 1，且复采时不断增大，而水平移动系数 基本稳定，tanβ、边界角 δ0逐渐增大；但受到厚松 散层物理力学性质的影响， 地表下沉持续时间更长， 移动盆地收敛缓慢，地表活跃期持续时间 4 个月。 ChaoXing 132 煤田地质与勘探 第 46 卷 图 2 地表移动观测站示意图 Fig.2 Schematic of the observatory stations for surface subsidence 图 3 工作面走向下沉曲线图 Fig.3 Curve of subsidence deation in the mining face strike line 表 1 工作面实测地表移动变形参数表 Table 1 Surface movement deation parameters measured in mining faces 工作面 下沉系 数 q 水平移动 系数 b 影响半径 正切 tanβ 边界角 δ0 首采 1.140 0.411 2.23 5450′ 复采 1.356 0.440 3.67 5649′ 该研究指出了重复采动条件下地表变形的一般 规律，但受现场条件的限制，未能揭示多次重复开 采的地表变形规律，缺少地质采矿条件对地表变形 影响的定量分析。鉴于此，本文采用 FLAC3D软件 建立了数值计算模型。 3 数值模拟实验研究 在开采沉陷预计中建立地表移动观测站，可以 通过观测获得大量的第一手资料，从而掌握开采沉 陷的规律，但是建立观测站具有工作量大、易受外 界条件的影响等缺点，因此采用显式有限差分法的 FLAC3D软件进行数值模拟，与实测研究相比，数值 模拟具有更强的适用性，已广泛应用于开采沉陷预 计中。 3.1 模型模拟方案及边界条件 为了研究重复开采对地表变形的影响，采用 FLAC3D软件，针对相同工作面尺寸、相同煤层间 距及上覆岩性相同的理想条件，建立了 5 次开采的 数值模拟模型。模型采用位移边界条件模型横 向、纵向和底部固定，顶部为自由边界条件。在分 析计算过程中，仅考虑岩体自重引起的应力，即模 型处于静止应力状态。岩体内部初始应力状态取决 于上覆岩层的质量和性质，顶板全部垮落，区域下 方没有断层等特殊地质构造。 根据模拟目的选定采矿条件为开采煤层为 水平开采，为达到充分采动，设计的工作面长度 为 2 000 m，宽度 200 m，开采煤层厚度 3.3 m，开 采深度分别为 467.3 m、520.6 m、573.9 m、627.2 m 和 680.5 m，其中松散层厚度为 414 m，覆岩厚度为 50 m。模型的长度为 3 000 m、宽度为 2 000 m、高 度为 700 m，水平方向每 25 m 一个网格，垂直方向 按岩层厚度不同，单元格大小不同，数值模型如图 4所示。根据上覆岩层材料的力学特征，采用摩尔– 库伦屈服准则。根据地质资料经岩层概化合并，建 立了与实际基本吻合的数值模型，选取的模拟参数 见表 2。 图 4 数值模型 Fig.4 Numerical model ChaoXing 第 2 期 蒯洋等 厚松散层下多煤层重复开采地表移动规律 133 表 2 数值模拟岩石力学参数 Table 2 Numerical simulation of rock mechanics parameters 岩层名称 体积模量/GPa 剪切模量/GPa 内聚力/MPa 内摩擦角/ 抗拉强度/MPa 密度/kgm-3 松散层 0.001 6 0.002 5 0.20 15 0.015 1 800 细砂岩 10.92 3.72 2.10 43 4.93 2 690 风化砂质泥岩 7.94 6.31 2.93 35 2.19 2 547 砂质泥岩 1.95 1.25 1.03 35 1.68 2 571 粉砂岩 16.04 5.62 3.47 43 4.86 2 558 煤层 1.90 0.93 2.00 27 0.28 1 400 泥岩 3.94 2.60 0.68 30 1.59 2 463 3.2 重复采动的岩体力学参数修正 煤层被开采后，上覆岩层因应力失去平衡而产 生冒落带、断裂带和弯曲带，从而使上覆岩层的力 学性质产生变化，因此在煤层被开采后需要对上覆 岩层的力学参数进行修正，模型中的冒落带、断裂 带高度可根据采厚及采深利用经验公式计算[13]。经 计算可得，冒落带的高度约为 11 m，断裂带的高度 约为 46 m。模型的煤层间距为 50 m，因此下煤层的 开采对上煤层的影响不大。 为了使模型的计算更加符合实际情况，需要根 据冒落带及断裂带的高度对岩层的力学参数进行修 正，根据文献资料[14]，选用表 3 中的修正系数对受 采动影响的岩层力学参数进行修正。 表 3 岩层力学参数的修正系数 Table 3 Correction coefficients of rock ation mechanical parameters 岩体 弹性模量 内聚力 抗压强度 内摩擦角 抗拉强度 冒落带 1/20 1/20 1/4 1/5 0 断裂带 1/15 1/15 1/4 1/15 0 3.3 数值模拟结果及分析 表 4 给出了每次开采地表最大变形值，从模拟 结果可以看出 ①厚松散层下采煤地表移动规律总体符合一般 条件下开采地表移动变形分布规律，但又具有其独特 性厚松散层下开采地表下沉盆地边界角较大，导致 地表移动盆地在边缘处较陡峭，且地表移动变形值较 大；地表的移动变形在采空区上方较为集中。 ②随着采动次数的增加，地表的各项移动变形 值都在增大，其中每次开采累计下沉占总下沉的比 例分别为 17.9、36.8、57.8、78.9和 100； 每次开采累计倾斜占总倾斜的比例分别为 15.9、 33.2、53.9、75.6和 100；每次开采累计曲率 占总曲率的比例分别为 27.8、 45.3、 78.4、 87.1 和 100； 每次开采累计水平移动占总水平移动的比 例分别为 17.6、36.3、56.5、79.6和 100； 每次开采累计水平变形占总水平变形的比例分别为 14.7、31.7、52.9、78.6和 100。 表 4 多次开采地表最大变形值 Table 4 Maximum deation at each time of mining 开采次数 最大下沉/m 最大倾斜/mmm-1 最大曲率/mmm-2 最大水平移动/m 最大水平变形/mmm-1 1 3.539 7.119 0.102 1.813 3.404 2 7.258 14.847 0.166 3.724 7.310 3 11.404 24.067 0.287 5.789 12.207 4 15.568 33.772 0.319 8.160 18.129 5 19.721 44.648 0.366 10.247 23.049 3.3.1 地表下沉规律 由数值模拟结果得到的工作面走向下沉值，依 次对开采后的地表下沉值进行绘制得出下沉曲线， 如图 5 所示。 从图 5 可知重复开采的地表下沉曲线分布规律 与一般条件下开采引起的地表下沉分布规律基本一 致，由于工作面走向为超充分采动，所以下沉盆地 的底部呈现平底状，下沉曲线是关于采空区中点对 称且曲线是连续渐变的，说明模拟结果可靠；随着 开采的进程，地表的下沉量增大，当工作面推进 500 m 的时候地表下沉量达到最大值，其中每次开 采的最大下沉值见表 4，可以看出重复开采时地表 下沉极值在增加，但增加的幅度在减小，每次开采 占最终下沉量的百分比分别为 17.9、36.8、 57.8、 78.9和 100； 随着重复开采次数的增加， 地表下沉盆地边缘越来越陡峭，下沉盆地的范围会 ChaoXing 134 煤田地质与勘探 第 46 卷 略有扩大。 3.3.2 地表水平移动规律 由数值模拟结果得到的工作面走向水平移动 值，依次对开采后的地表水平移动值进行绘制得出 水平移动曲线，如图 6 所示。 图 5 重复开采工作面走向下沉曲线 Fig.5 Subsidence curve of repeated mining face strike line 图 6 重复开采工作面走向水平移动曲线 Fig.6 Horizontal movement curve of repeated mining face strike line 由图 6 可知，在工作面走向方向地表下沉盆地 边界至拐点处的最终水平移动值先增大后减小，在 距边界的 530 m 处，重复开采时的水平移动值达到 最大值表 4， 每次开采占最终移动量的百分比分别 为 17.7、36.3、56.5、79.6和 100。地表水 平移动值出现正负两个极值表示的是水平移动方向 相反，在工作面的中心位置水平移动值为 0。 3.4 地表变形参数与采动次数之间的关系 3.4.1 地表下沉系数变化规律 下沉系数q是指在充分采动的条件下，开采煤 层时地表产生的最大下沉值与煤层采厚的比值。在 开采沉陷预计中，地表下沉系数对地表沉陷预计精 度的影响至关重要，其取值的准确性直接影响到地 表移动和变形预计结果的精度[15]。根据模拟结果， 绘制下沉系数与采动次数之间关系图图 7。 图 7 下沉系数和水平移动系数与采动次数关系图 Fig.7 Correlation curve of subsidence factor and displacement factor with mining times 由图 7 可以看出厚松散层初次开采时地表下 沉系数大于 1，达到 1.072，随着重复开采次数的增 加，地表的下沉次数呈现增大的趋势，在第三次复 采时达到最大值 1.262， 在经过 3 次复采后随着复采 次数的增加，地表下沉系数不再增加，而是趋于稳 定值。对下沉系数与采动次数小于 3 次之间的关系 进行拟合处理，得到了下沉系数q与采动系数x之 间的关系 0.091940.96807qx 1 3.4.2 地表水平移动系数变化规律 水平移动系数b是指在走向方向达到充分采 动，水平煤层开采时走向主断面的地表最大水平移 动值与该面上地表最大下沉值之比。水平移动系数 是概率积分法开采沉陷预测不可或缺的重要参数之 一，其取值的准确性对于精确获取矿区地表移动变 形预计结果具有决定性作用[16]。根据模拟结果，绘 制水平移动系数与采动次数之间关系图图 7。 从图 7 可以看出，水平移动系数与采动次数之 间无明显的相关关系，每次开采时水平移动系数分 别为 0.512、0.513、0.508、0.524 和 0.519，随着开 采次数的增加地表的水平移动系数变化不大且与采 动次数之间没有明显的关系。 3.4.3 主要影响角正切变化规律 主要影响角正切 tanβ 指开采工作面的平均采深 H0与主要影响半径 r 之比。它是表示移动与变形范 围的主要参数，可以根据 tanβ 准确确定下沉盆地边 界具体范围，在相同的开采深度条件下，tanβ 越大， 地表移动范围相对越小，下沉盆地越集中[17]。根据 模拟结果， 绘制 tanβ 与采动次数之间关系图图 8。 从图 8 可以看出，tanβ 与采动次数之间呈线性 关系，随着采动次数的增加，tanβ 由初次采动时的 0.94 逐渐增大到 5 次采动时的 1.54，tanβ 增大的主 ChaoXing 第 2 期 蒯洋等 厚松散层下多煤层重复开采地表移动规律 135 图 8 主要影响角正切 tanβ 和边界角 δ0与 采动次数关系图 Fig.8 Correlation curve of tangent of major influence tanβ and limit angle δ0 with mining times 要原因是重复采动时开采的深度增加，而主要影响 半径略有减小，导致了 tanβ 的增大，由此可见，随 着采动次数的增加，地表移动盆地范围影响不大。 经过线性回归计算，相关性分析，主要影响角 正切 tanβ 与采动次数x之间的关系为 tan0.774320.149 7x 2 3.4.4 边界角变化规律 边界角 δ0是地表移动盆地主断面上盆地边界点 至采空区边界的连线与水平线在煤柱一侧的夹角， 其 是表征地表移动盆地影响范围的重要参数之一， 根据 边界角值可以确定地下开采对地表的影响范围， 在保 护煤柱的留设、 矿区采动损害范围的划定及岩移观测 站的设计等方面有着重要的作用[18]。根据模拟结果， 绘制边界角与采动次数之间关系图图 8。 从图 8 可以看出，边界角与采动次数之间呈线 性关系，首采时边界角为 65.24，最终边界角为 71.78，重复采动时地表移动盆地的增大量小于采 深的增大量导致了边界角的增大。 经过线性回归计算，相关性分析，走向边界角 δ0与采动次数x之间的关系为 0 63.135 291.687 55x 3 4 厚松散层下重复开采地表变形影响因素分析 从上述实测数据和数值模拟结果来看，厚松散 层重复开采条件下地表移动变形规律与非厚松散层 矿区的规律明显不同，其中最大区别在于下沉系数 的变化规律。与常规地质采矿条件下开采相比，地 表变形主要受到以下因素的影响 a. 岩土体物理力学性质的影响 厚松散层下开 采的地表沉陷由基岩沉降、松散层土体压实沉降 2 部分组成[19]，相比常规重复采动下沉系数增大的机 理，厚松散层下更加复杂，影响因素更多。一方面， 覆岩破断引起上覆岩土体的整体变形，另一方面， 松散层具有强度低、孔隙大等特点，导致地表产生 叠加变形，因此，初次采动地表下沉往往大于 1。 从数值模拟结果可以看出，每次重复采动时，松散 层沉降分量分别占总沉降量的 25.13、26.02、 28.53、31.3和 33.2。 b. 重复开采导致厚松散层土体逐渐压实 松散 层较厚、基岩相对薄而容易破断，隔离层也易遭破 坏，而当重复采动达到一定次数后，无论是覆岩中 裂隙还是松散层中空隙都已经压密，可释放的下沉 空间已经很小，故地表下沉系数不再增加，而是趋 于稳定，说明厚松散层土体逐渐压实是导致下沉系 数先增大后趋于稳定的主要原因。 c. 松散层失水沉降对地表下沉的影响 不仅仅 是覆岩裂隙再次发育，采空区空隙进一步被压密， 导致下沉空间增大，地表下沉系数增大，而且有松 散层裂隙增大，进一步失水压密固结产生的下沉空 间，使得松散层中水向下渗流，大量的潜水流向采 空区以及采前的人工疏干，造成水体流失，使松散 层失水压密以及固结，使得地表进一步下沉。 d. 采深增大导致地表边界角逐渐增大 重复采 动过后，边界角、主要影响角正切都比首次采动后 有所增大，说明地表移动范围相比单独开采，多煤 层开采地表移动范围叠加影响将减小。这是由于重 复采动仅仅是加剧了上覆岩层裂隙的发育以及岩层 的破断，而破碎的岩体难以在水平方向将移动变形 进一步传播，导致扩散影响能力减小。在达到充分 采动条件后，随采深加大，地表移动盆地边界不再 扩大，因此，边界角呈现线性增大的趋势。 5 结 论 a. 厚松散层下地表移动变形基本符合一般地 质采矿条件下开采规律，即地表下沉曲线和水平移 动曲线关于采空区中心呈对称和反对称关系，重复 开采时随着开采次数的增加地表下沉盆地变的陡 峭，下沉盆地范围略有增大。 b. 厚松散层初次开采时地表下沉系数大于 1， 随着重复开采次数的增加，地表的下沉次数呈现增 大的趋势，在第三次复采时达到最大值，在经过三 次复采后，随着复采次数的增加，地表下沉系数不 再增加，逐渐趋于稳定。 c. 历经重复采动后，边界角、主要影响角正切 都比首次采动有所增大，而水平移动系数与采动次 数之间无明显的相关关系，边界角、主要影响角正 切与采动次数之间呈线性正相关关系。 d. 厚松散层矿区多次重复采动地表移动变形 受到地质采矿环境、开采方式、岩土体的力学性质 等多因素的耦合影响，其影响因素和移动变形规律 ChaoXing 136 煤田地质与勘探 第 46 卷 较为复杂，期待更多有益的成果陆续发表。 参考文献 [1] 刘义新， 戴华阳， 姜耀东. 厚松散层矿区采动岩土体移动规律 模拟试验研究[J]. 采矿与安全工程学报， 2012， 295 700–706. 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