宋志飛，雷家好，孫世國，陳 靜，劉曉麗

（1.北方工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100041;2.清華大學，北京 100084）

復雜條件下煤層開采上覆巖體移動規(guī)律研究

宋志飛1，雷家好1，孫世國1，陳 靜1，劉曉麗2

（1.北方工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100041;2.清華大學，北京 100084）

分析了煤礦開采“三帶”動態(tài)變化過程，針對老虎臺礦區(qū)復雜地質(zhì)條件，應用數(shù)值模擬方法分析了走向長壁水砂充填開采和綜放開采后“三帶”及地表移動變形規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)場實測資料驗證，結果基本一致，從而可以確定數(shù)值模擬的合理性，可以指導煤礦安全生產(chǎn)。

煤層開采;動態(tài)變化;“三帶”;地表移動

由于煤炭資源的逐年開采，各礦區(qū)開始向深部或地質(zhì)條件復雜煤層開采，地下煤層采出后，破壞了上覆巖體的應力平衡，一段時間后，應力重新分布，使得上覆巖體產(chǎn)生移動變形，最后破壞塌落，并使地表產(chǎn)生大面積下沉、凹陷，對煤礦安全生產(chǎn)、礦區(qū)生態(tài)環(huán)境及地表構筑物都將產(chǎn)生影響。

1 煤礦開采“三帶”動態(tài)變化過程

煤層開采過程中，將引起巖體移動，隨開采向前推進，會引起地表移動及破壞，形成地表移動盆地、裂縫、臺階、塌陷坑等，并同時誘發(fā)水文特性的變化、導水裂縫帶高度及隔水帶厚度的變化。采空區(qū)上覆巖層在開采過程中將會發(fā)生較為復雜的移動和變形。根據(jù)采后巖體的破壞程度，可將開采影響范圍內(nèi)的上覆巖層大致分成3個區(qū)域，即冒落帶（垮落帶）、斷裂帶 （裂縫帶）和彎曲下沉帶。

“三帶”影響因素多而復雜，包括采厚、采空區(qū)大小、巖石性質(zhì)、頂板控制方法及采深等，一般來說，在水平或緩傾斜煤層開采時，“三帶”表現(xiàn)的比較明顯，但對于其他類型的煤層其上覆巖層中的“三帶”不一定同時存在。

煤層開采誘發(fā)上覆巖體移動、“三帶”變化、地表移動盆地變化、積水量變化、導水裂縫帶高度及地下水位變化的動態(tài)過程示意如圖1。

2 撫順老虎臺礦地質(zhì)采礦條件

撫順老虎臺礦位于撫順煤田中部，礦區(qū)地質(zhì)條件復雜，斷層眾多，E6200剖面地質(zhì)構造分布及開采位置如圖2。撫順煤田賦存煤層共有3層，即“本層煤”、A層煤和B層煤。主要開采“本層煤”，該煤層為世界罕見的單一特厚煤層，最大厚度130m（煤田西部），最小厚度8m（東部），平均厚度50m，最大埋深1300m，頂板為油母頁巖，平均厚度110m，底板為凝灰?guī)r，厚度30～80m。

“本層煤”的上覆巖層中第四紀沖積層層厚為0～14.46m，該層單位涌水量為4.2～0.84L/（s· m），滲透系數(shù)為92.8～10.27m/晝夜，為本井田的主要含水層，此外還有凝灰?guī)r、第三紀泥灰?guī)r和白堊系3個含水層，但其含水量甚微，滲透系數(shù)較小，對礦井涌水量基本沒有影響。

老虎臺礦現(xiàn)采用綜合機械化放頂煤采煤法。在撫順煤礦百余年的開采歷史中，采煤方法主要經(jīng)歷5個階段:1907－1915年采用殘柱式采煤法，1916－1924年采用水平分層走向短壁開采，1925－1940年采用分段傾斜分層上行采煤法，上世紀40年代至70年代采用傾斜分層“V”型長壁水砂充填采煤法，上世紀80年代后，開始進行機械化采煤試驗，并逐步推廣綜合機械化放頂煤開采。

圖1 “三帶”及地表移動盆地動態(tài)變化

圖2 E6200剖面地質(zhì)構造分布及開采位置

3 “三帶”動態(tài)變化規(guī)律及地表下沉盆地特點

根據(jù)老虎臺礦開采情況，選用MIDAS－GTS建模分析，模型尺寸為2012m×1070m×300m。水砂充填開采 （模擬開挖第1步）完成后，因上覆原巖應力發(fā)生重分布，上覆巖體及地表發(fā)生明顯的移動變形，如圖3所示，地表下沉盆地中心位于采空區(qū)中心偏下位置，最大下沉值為3.23m，并在斷層處形成臺階。

圖3 走向長壁水砂充填開采上覆巖體位移矢量

綜放第1步開采 （模擬開挖第2步）完成后，上覆巖體及地表移動變形如圖4所示。由圖可知，地表移動范圍變大，地表下沉盆地中心處在斷層位置，最大下沉值為3.30m，因綜放開采采空區(qū)尺寸較小，上覆巖體“三帶”及地表移動變形相對較小，受相鄰采區(qū)的疊加效應影響，斷層處的臺階變小，角度變緩。

圖4 綜放第1步開采后上覆巖體位移矢量

綜放第2步開采 （模擬開挖第3步）完成后，上覆巖體及地表移動變形如圖5所示。由圖可知，地表移動范圍進一步擴大，地表下沉盆地中心因受斷層影響，位置基本不變，地表最大下沉值為3.82m，疊加效應影響下，原鄰近采空區(qū)“三帶”及地表移動變形均發(fā)生新的變化，新采空區(qū)上覆巖體“三帶”變化也更加劇烈。

圖5 綜放第2步開采后上覆巖體位移矢量

4 結論

根據(jù)數(shù)值模擬結果可得出如下結論:

（1）隨開采范圍擴大，“三帶”范圍、地表移動盆地范圍及最大下沉值均大，但變化幅度較小。

（2）在斷層處，地表出現(xiàn)臺階，變形值發(fā)生突變，限制“三帶”范圍向斷層上盤發(fā)展，受斷層影響，地表下沉盆地中心位置基本不變。

（3）鄰近采區(qū)相互影響，移動變形具有疊加效應，且疊加效應隨著開采進行將不斷發(fā)展。

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Rule of Overlying Strata Movement in Mining Coal-seam under Comp lex Condition

SONG Zhi-fei1，LEIJia-hao1，SUN Shi-guo1，CHEN Jing1，LIU Xiao-li2

（1.Architecture Engineering School，North Industry University，Beijing 100041，China;2.Qinghua University，Beijing 100084，China）

This paper analyzed dynamic variation process of“3-zones”in coalmining.Based on complex geological condition of Laohutai Colliery，numerical simulation was applied to analyzing“3-zones”and surfacemovement and deformation rule after long-wall stowingmining with water and sand.Observation data showed that the resultwas credible and numerical simulation could be used to direct safetymining.

coalmining;dynamic variation;“3-zones”;surfacemovement

TD325

A

1006-6225（2011）04-0095-02

2011－05－27

國家自然科學基金資助項目 （51009079）

宋志飛 （1980－），男，山東沂源人，工學博士，講師，主要從事巖土工程相關領域研究。

［責任編輯:王興庫］