孫 杰,孫鴻昌,郝 喆,越 智,張耀君

(1.遼寧大學(xué) 環(huán)境學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110036; 2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司,遼寧 撫順 113122;3.內(nèi)蒙古仲泰測(cè)繪技術(shù)有限公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

在我國(guó)煤炭資源仍處于能源消費(fèi)中的主要地位,并且在未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)這種能源結(jié)構(gòu)仍會(huì)持續(xù)[1]。煤層開(kāi)采過(guò)程中,煤層頂?shù)装逅軕?yīng)力超過(guò)其強(qiáng)度極限,導(dǎo)致煤層頂?shù)装灏l(fā)生移動(dòng)變形、彎曲、斷裂、垮落等現(xiàn)象,上覆巖層受該現(xiàn)象影響發(fā)生移動(dòng)變形,這種移動(dòng)變形逐漸波及地表,最終導(dǎo)致地表沉陷,形成沉陷盆地。煤礦開(kāi)采引發(fā)的地表沉陷問(wèn)題是礦區(qū)環(huán)境破壞的源頭,不僅會(huì)破壞井田周圍的環(huán)境,也對(duì)周邊人民的生命安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生嚴(yán)重影響[2]。隨著煤炭需求的增加,煤礦越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向深部開(kāi)采,而深部開(kāi)采導(dǎo)致煤層巖體力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變,地表沉陷呈現(xiàn)出與淺部開(kāi)采不同的時(shí)空演化規(guī)律[3]。受到深部開(kāi)采的高集中應(yīng)力、高地應(yīng)力及高巖溶水壓等情況的影響,深部采動(dòng)的巖體具有復(fù)雜的非線性力學(xué)行為[4-6]。在深部開(kāi)采的工況下,地表沉陷受到覆巖層特性的影響更為明顯,一般來(lái)講,礦層埋深越大,巖層形變擴(kuò)展到地表所需的時(shí)間愈長(zhǎng),地表形變愈小,且較為平緩,而地表沉陷盆地的范圍增大,若對(duì)于厚度大的堅(jiān)硬巖層,深部開(kāi)采甚至長(zhǎng)期不產(chǎn)生地表變形,而對(duì)于強(qiáng)度較低的巖層,則可能產(chǎn)生較大的地表變形。東勝煤田是中國(guó)已探明的最大煤田,位于中國(guó)最大聚煤盆地鄂爾多斯盆地腹地。紅慶河煤礦屬于鄂爾多斯盆地東勝煤田紅慶河井田,砂巖和泥巖為本區(qū)煤層賦存的主要圍巖種類,探討典型巨厚砂泥巖互層條件下深部近水平開(kāi)采地表沉陷演化規(guī)律,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

David R.Cope[7]對(duì)深部開(kāi)采實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,認(rèn)為深部采動(dòng)引起的地表移動(dòng)和變形是連續(xù)的、緩慢的且周期性較長(zhǎng);Wang等[8]將地表沉陷與覆巖移動(dòng)作為整體來(lái)分析,發(fā)現(xiàn)覆巖裂縫拱的發(fā)展與地表沉陷速率具有較大相關(guān)性,且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明地表移動(dòng)存在增速段、高速運(yùn)動(dòng)段、減速運(yùn)動(dòng)段;Li等[9]發(fā)現(xiàn)在軟巖下深部開(kāi)采,地表沉陷的影響范圍隨著工作面的推進(jìn)而不斷擴(kuò)大,在距采空區(qū)800 m處地表水平移動(dòng)的增長(zhǎng)速度比地表沉陷的增長(zhǎng)速度要快;張國(guó)建[10]使用模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬的方法,通過(guò)研究巨厚弱膠結(jié)覆巖下的深部開(kāi)采,明確了深部開(kāi)采下地表沉陷偏小的影響因素;彭林軍等[11]將數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,研究盆地水平煤層深部采動(dòng)下的地表沉陷;翁麗媛[12]以古城煤礦深部條帶開(kāi)采為例,研究了深部條帶開(kāi)采下的覆巖與地表沉陷規(guī)律。

綜上,國(guó)內(nèi)外在深部開(kāi)采導(dǎo)致地表沉陷及覆巖移動(dòng)方面開(kāi)展了較深入的研究,獲取了某些地層條件下的地表沉陷變化規(guī)律。但對(duì)于專門針對(duì)深部巨厚砂泥巖互層條件下近水平開(kāi)采地表沉陷研究尚未見(jiàn)開(kāi)展。為此,本文以紅慶河煤礦3-1501大采高綜采工作面為例,研究典型巨厚砂泥巖互層條件下深部近水平開(kāi)采地表沉陷演化規(guī)律,為典型巨厚砂泥巖互層區(qū)域的煤炭開(kāi)采地表沉陷分析和預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域

紅慶河煤礦處于內(nèi)蒙古自治區(qū)伊金霍洛旗境內(nèi),該區(qū)域上覆巖層為泥巖、砂質(zhì)泥巖和砂巖等,其中以淺灰、灰綠、棕紅、灰紫色泥巖及砂巖為主,砂泥巖巖層厚度達(dá)700 m以上,具有典型巨厚砂泥巖互層的特性。區(qū)域地層分布見(jiàn)表1。

表1 紅慶河煤礦區(qū)域地層Tab.1 Strata in Hongqinghe Coal Mine area

紅慶河煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力800萬(wàn) t/a,目前主采3-1煤層。作為3-1煤層五采區(qū)的首采工作面,3-1501工作面對(duì)應(yīng)的地表區(qū)域呈東北高、西南低的地形特征,其走向長(zhǎng)度為3 500 m,傾向長(zhǎng)度為300 m,平均采深為798 m;開(kāi)采方式為綜合機(jī)械化開(kāi)采,煤層厚度最大為7.5 m,最小為6.1 m,平均開(kāi)采厚度為6.75 m,煤層傾角1°左右,具有巨厚砂泥巖互層條件下深部近水平開(kāi)采的特征。

2 模型建立

2.1 煤巖參數(shù)確定

巖層層位根據(jù)紅慶河煤礦的煤層和頂?shù)装迩闆r以及綜合地質(zhì)柱狀圖確定,鑒于真實(shí)地層較為復(fù)雜,且含有大量夾層,故對(duì)真實(shí)地層作適當(dāng)簡(jiǎn)化[13]。模型整體從上至下依次為表土層、灰紫色泥巖、砂質(zhì)泥巖、紫紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖、粗粒砂巖、細(xì)粒砂巖、煤層、砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖。統(tǒng)計(jì)表明,工作面上覆巖層中的砂巖和泥巖巖層厚度達(dá)到780 m以上。數(shù)值模擬模型巖層分布情況及相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 巖層分布及物理力學(xué)參數(shù)Tab.2 Rock distribution and physical and mechanical parameters

2.2 模擬區(qū)域確定及建模

根據(jù)實(shí)際工作面條件,煤層平均采厚為6.75 m,平均采深為798 m,采區(qū)工作面傾向長(zhǎng)度為300 m,走向長(zhǎng)度為3 500 m。依據(jù)表2的巖層劃分結(jié)果,采用FLAC3D建模,選取Mohr-Coulomb本構(gòu)模型。確定模擬區(qū)域向采區(qū)邊界延伸200 m,建立模型尺寸3 900 m×700 m×998 m,傾向工作面沿y向布置,沿x向推進(jìn)開(kāi)采。模型共347 718個(gè)節(jié)點(diǎn),232 171個(gè)單元,煤層和地表層已進(jìn)行網(wǎng)格加密處理,計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型Fig.1 Numerical model

邊界條件約束如下:①模型左右邊界施加水平約束,邊界水平位移為0;②模型底部邊界水平、垂直初始位移均為0;③模型頂部為自由邊界。

3 地表沉陷規(guī)律分析

3.1 地表沉陷盆地特征

初始地應(yīng)力平衡位移等勢(shì)如圖2所示。將初始位移清零后,對(duì)模型進(jìn)行開(kāi)挖處理,開(kāi)采結(jié)束后的地表沉陷及巖移形態(tài)如圖3所示。由圖3可知,當(dāng)開(kāi)采活動(dòng)結(jié)束后,地表呈現(xiàn)沉陷盆地走勢(shì),其影響范圍波及整個(gè)采空區(qū)上方;從走向來(lái)看,呈現(xiàn)出采空區(qū)左右兩側(cè)沉陷小,中間沉陷大的現(xiàn)象,最大地表下沉量出現(xiàn)在采空區(qū)中心位置,最大沉陷量61.01 cm,最小沉陷量為24.24 cm;從傾向來(lái)看,呈現(xiàn)出采空區(qū)前后兩側(cè)沉陷小,中間沉陷大的現(xiàn)象,整體關(guān)于采空區(qū)呈現(xiàn)對(duì)稱狀態(tài)。

圖2 初始地應(yīng)力平衡位移等勢(shì)圖Fig.2 Initial in-situ stress equilibrium displacement equipotential

圖3 開(kāi)采結(jié)束后地表沉陷Fig.3 Surface subsidence after mining

3.2 地表沉陷演化規(guī)律

選取模型走向地表中心線為沉陷量監(jiān)測(cè)線,分別將不同工作面推進(jìn)距離下的地表沉陷量繪制成地表沉陷曲線,得到的走向地表垂直位移曲線如圖4所示;根據(jù)煤層開(kāi)采引起的超前影響現(xiàn)象,計(jì)算出不同工作面推進(jìn)距離下的超前影響距和超前影響角,如圖5所示。

圖4 走向地表垂直位移曲線Fig.4 Vertical displacement curve toward the surface

圖5 走向超前影響距及超前影響角Fig.5 Leading influence distance and leading influence angle

由圖4、圖5可知,工作面推進(jìn)350 m時(shí),地表沉陷量很小,僅為10.61 cm,地表下沉現(xiàn)象并不顯著,但此時(shí)已產(chǎn)生超前影響現(xiàn)象,超前影響距為665 m,超前影響角為50.19°;當(dāng)開(kāi)采活動(dòng)推進(jìn)至700 m時(shí),地表開(kāi)始呈現(xiàn)盆地走勢(shì),此時(shí)地表最大下沉量為22.46 cm,超前影響距為687 m,超前影響角為49.24°,地表最大下沉量明顯增加,說(shuō)明在該段工作面推進(jìn)時(shí),對(duì)地表沉陷現(xiàn)象產(chǎn)生較大影響;工作面推進(jìn)700～3 150 m時(shí),地表最大沉陷量逐漸增大,超前影響角逐漸增大,而超前影響距逐漸減小,開(kāi)采活動(dòng)對(duì)地表沉陷的超前影響現(xiàn)象逐步減弱;當(dāng)開(kāi)采結(jié)束后,地表沉降量最大,為61.01 cm。

為進(jìn)一步驗(yàn)證地表沉陷模擬結(jié)果的可靠性,現(xiàn)場(chǎng)采用UAV激光雷達(dá)進(jìn)行了沉陷觀測(cè)并繪制等值線如圖6所示?？梢?jiàn),現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地表最大沉陷量為64.00 cm,而數(shù)值模擬的地表最大沉陷量為61.01 cm,與實(shí)測(cè)值誤差為4.90%,滿足精度要求。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)下沉等值線Fig.6 Subsidence contour was measured on site

為了得到工作面推進(jìn)距離與走向地表沉陷量的準(zhǔn)確關(guān)系,將不同推進(jìn)距離時(shí)的走向地表沉陷量進(jìn)行擬合處理,得到的擬合曲線如圖7所示。

圖7 地表沉陷量與工作面推進(jìn)距離擬合曲線Fig.7 Fitting curve of surface subsidence and advancing distance of working face

經(jīng)過(guò)擬合處理,得到走向地表沉陷量與工作面推進(jìn)距離的函數(shù)關(guān)系式為:

y=-6.369 8×10-6x2+4.019 0×10-2x-2.460 0

(1)

式中,y為走向地表最大沉陷量;x為工作面推進(jìn)距離。

上述擬合結(jié)果顯示,擬合曲線的R2達(dá)到0.999以上,具有很高的置信度,因此根據(jù)上式可對(duì)走向地表沉陷量進(jìn)行預(yù)測(cè),可為深部開(kāi)采下地表沉陷相關(guān)問(wèn)題的分析提供可靠依據(jù)。

3.3 地表沉陷變化量規(guī)律

繪制的地表沉陷變化量及每開(kāi)采100 m地表沉陷量的柱狀圖如圖8所示,圖8中沉陷變化量為開(kāi)采間距350 m下的走向地表沉陷變化量。

圖8 走向地表沉陷變化量及開(kāi)采每百米沉降量Fig.8 Change in strike surface subsidence and mining subsidence per 100 meters

由圖8可知,工作面推進(jìn)0～700 m時(shí),地表沉陷變化量增大。工作面推進(jìn)350 m較未開(kāi)采時(shí)地表沉陷量增加了10.61 cm,在0～350 m內(nèi),工作面每開(kāi)采100 m地表沉陷量增加3.03 cm;工作面推進(jìn)700 m較350 m時(shí),地表沉陷量增加了11.85 cm,在350～700 m內(nèi),工作面每開(kāi)采100 m地表沉陷量增加3.39 cm,說(shuō)明在此階段內(nèi),工作面向前推進(jìn)會(huì)加劇對(duì)走向地表沉陷的影響。而在工作面推進(jìn)700～2 800 m時(shí),地表沉陷變化量逐漸減小,工作面每開(kāi)采100 m的地表沉陷量也逐漸減小,說(shuō)明在此階段內(nèi),開(kāi)采活動(dòng)的進(jìn)行對(duì)地表沉陷的影響逐步減弱。在工作面推進(jìn)3 100 m較2 800 m時(shí)及工作面推進(jìn)3 500 m較3 100 m時(shí),地表沉陷量?jī)H分別增加了0.84、0.67 cm,而在工作面推進(jìn)2 800～3 150 m以及3 150～3 500 m內(nèi),每開(kāi)采100 m地表沉陷量分別僅為0.24、0.19 cm,可知此時(shí)開(kāi)采活動(dòng)對(duì)走向地表沉陷的影響很小。

可知,當(dāng)工作面推進(jìn)700 m時(shí),地表沉陷變化量持續(xù)增加,在700 m處達(dá)到最大值,繼續(xù)向前推進(jìn)直至開(kāi)采活動(dòng)結(jié)束,沉降變化量不斷減小。這是由于在最初開(kāi)采時(shí),原本已處于應(yīng)力平衡狀態(tài)的地層由于開(kāi)采擾動(dòng)發(fā)生了較大的應(yīng)力變化,而開(kāi)采一段距離后,巖層依靠自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,使應(yīng)力重新分布并使巖層運(yùn)動(dòng)趨于平緩,在工作面推進(jìn)700 ～3 500 m時(shí),地表沉陷變化量不斷減小。當(dāng)工作面推進(jìn)至2 800 m后,即工作面推進(jìn)距離達(dá)到3.51倍煤層埋深后,地表沉陷變化量很小,每開(kāi)采1 m僅變化0.002 cm,說(shuō)明工作面接近甚至已達(dá)充分采動(dòng)狀態(tài),下沉系數(shù)為0.09,其下沉系數(shù)較淺部開(kāi)采更小,隨后繼續(xù)開(kāi)采,地表沉陷現(xiàn)象不明顯甚至不再發(fā)生沉陷。煤層淺部通常工作面推進(jìn)距離達(dá)到1.2～1.4倍埋深后即可達(dá)到充分采動(dòng)狀態(tài),而深部巨厚砂泥巖下大采高綜采工況下達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)的工作面推進(jìn)距離與煤層埋深比值更大。

4 巖層移動(dòng)規(guī)律分析

4.1 頂板及底板位移變化特征

開(kāi)采活動(dòng)會(huì)打破原有巖層應(yīng)力的平衡狀態(tài),造成頂板和底板的位移,使得頂板下沉量不斷加大,底板不斷隆起,這一現(xiàn)象會(huì)不斷向上發(fā)育,當(dāng)這一運(yùn)動(dòng)傳遞到地表附近時(shí),就會(huì)引起地表沉陷,因此研究直接頂和直接底的移動(dòng)規(guī)律可以更加直觀有效地表現(xiàn)出地表沉陷的過(guò)程。直接頂和直接底的垂直位移曲線如圖9所示。

圖9 工作面直接頂、直接底垂直位移曲線Fig.9 Vertical displacement curve of direct roof and direct bottom of working face

由圖9可知,從開(kāi)采活動(dòng)開(kāi)始到開(kāi)采結(jié)束,煤層頂板不斷向采空區(qū)方向發(fā)生彎曲下沉運(yùn)動(dòng),煤層采空區(qū)附近的底板不斷向上隆起,當(dāng)工作面推進(jìn)350 m時(shí),頂板最大沉陷量為60.34 cm,底板隆起量最大值為21.88 cm;當(dāng)工作面推進(jìn)700 m時(shí),頂板彎曲現(xiàn)象發(fā)育至更上層,最大沉陷量為86.80 cm,較上一階段變化量為26.46 cm,底板最大隆起量為25.12 cm,變化量為3.24 cm;當(dāng)工作面推進(jìn)1 050 m時(shí),頂板最大沉陷量為108.21 cm,變化幅度為21.41 cm,底板最大隆起量為25.24 cm,底板位移變化量很小,僅增加了0.12 cm;當(dāng)工作面推進(jìn)1 400 m時(shí),頂板最大沉陷量為124.86 cm,變化幅度為16.65 cm,底板最大隆起量為25.39 cm,較上一階段僅增加了0.15 cm,說(shuō)明底板隆起量基本不再增加,只隨工作面的推進(jìn)而沿開(kāi)采方向發(fā)育;當(dāng)工作面推進(jìn)1 750、2 100、2 450、2 800、3 150、3 500 m時(shí),頂板最大沉陷量分別為137.38、145.09、149.68、156.55、159.06、164.21 cm,沉陷變化量分別為12.52、7.71、4.59、6.87、2.51、5.15 cm,底板隆起量分別為25.55、25.99、26.17、26.27、26.42、26.64 cm,變化量分別為0.16、0.44、0.18、0.1、0.15、0.22 cm。

由此可知,在整個(gè)開(kāi)采活動(dòng)推進(jìn)的過(guò)程中,頂板沉陷量與底板隆起量不斷增大,當(dāng)開(kāi)采活動(dòng)結(jié)束后達(dá)到最大值。工作面推進(jìn)距離為0～700 m時(shí),頂板沉陷變化量不斷增加,底板隆起變化量在此階段最大,工作面推進(jìn)距離為700 m～3 500 m時(shí),頂板沉陷變化量基本呈不斷減小的趨勢(shì),底板隆起變化量也基本呈不斷減小的趨勢(shì),這與前文分析的地表沉陷變化量趨勢(shì)具有高度一致性。

4.2 地表沉陷—頂板移動(dòng)的相關(guān)性

為進(jìn)一步分析地表沉陷與工作面頂板位移的關(guān)系,繪制地表沉陷量與直接頂下沉量的曲線如圖10所示,地表沉陷量與直接頂下沉量比值變化的曲線如圖11所示。

圖10 地表沉陷量與直接頂下沉量Fig.10 Surface subsidence and direct roof subsidence

圖11 地表沉陷量與直接頂下沉量的比值變化曲線Fig.11 Variation curve of the ratio between surface subsidence and direct roof subsidence

由圖10可知,隨著開(kāi)采活動(dòng)的向前推進(jìn),煤層直接頂下沉量和走向地表沉陷量不斷增大,且其增長(zhǎng)趨勢(shì)呈現(xiàn)出高度的一致性,說(shuō)明地表沉陷量的大小與直接頂下沉量的大小具有很強(qiáng)的正相關(guān)性。根據(jù)曲線斜率可知,工作面推進(jìn)0～2 100 m時(shí),煤層直接頂下沉速率較大,此時(shí)地表沉陷速率也較大,此時(shí)地表沉陷量與直接頂下沉量的比值呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì),這是由于深部采動(dòng)地表沉陷出現(xiàn)滯后的現(xiàn)象;在工作面推進(jìn)2 100～3 500 m時(shí),直接頂下沉速率逐漸減小,地表沉陷速率也不斷減小,地表沉陷量與直接頂下沉量的比值趨于穩(wěn)定,在0.37～0.38。在工作面推進(jìn)2 800 m以后,地表沉陷量幾乎不再增加,表明此時(shí)煤層已達(dá)充分采動(dòng)狀態(tài)。

5 結(jié)論

(1)深部開(kāi)采地表沉陷演化規(guī)律為:當(dāng)工作面推進(jìn)2 800 m時(shí),煤層已達(dá)到充分采動(dòng)狀態(tài);開(kāi)采結(jié)束后,沉陷盆地整體關(guān)于采空區(qū)呈現(xiàn)對(duì)稱狀態(tài),數(shù)值模擬地表最大沉陷量為61.01 cm,與UAV激光雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果對(duì)比,誤差為4.90%;沉陷量與工作面推進(jìn)距離呈二次函數(shù)關(guān)系,地表沉陷的速度隨著工作面的推進(jìn)呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。

(2)深部開(kāi)采條件下的頂?shù)装鍘r層移動(dòng)特征為:頂板沉陷變化量在工作面推進(jìn)800 m前不斷增加,底板隆起變化量在此階段最大,工作面繼續(xù)推進(jìn)直至開(kāi)采結(jié)束,頂板沉陷變化量和底板隆起變化量基本呈不斷減小的趨勢(shì)。

(3)深部開(kāi)采下頂板下沉與地表沉陷的相關(guān)性特征為:在工作面開(kāi)采至2 100 m前,深部采動(dòng)下地表沉陷出現(xiàn)滯后的現(xiàn)象,地表沉陷量與頂板下沉量的比值呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì);在工作面推進(jìn)2 100 m至開(kāi)采結(jié)束,地表沉陷量與頂板下沉量的比值趨于穩(wěn)定,在0.37～0.38。