閻躍觀 戴華陽(yáng) 呂志強(qiáng), 郭俊廷 田秀國(guó)

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083； 2.開(kāi)灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河北 唐山 063018)

急傾斜多煤層開(kāi)采地表移動(dòng)規(guī)律與巖層破壞特征

閻躍觀1戴華陽(yáng)1呂志強(qiáng)1,2郭俊廷1田秀國(guó)2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083； 2.開(kāi)灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河北 唐山 063018)

急傾斜多煤層開(kāi)采覆巖破壞和地表移動(dòng)規(guī)律不同于緩傾斜煤層開(kāi)采。采用相似材料模型實(shí)驗(yàn)對(duì)趙各莊礦急傾斜多煤層開(kāi)采進(jìn)行了模擬研究。通過(guò)對(duì)7次觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，得出了不同開(kāi)采階段地表移動(dòng)變形規(guī)律及巖層破壞特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：地表下沉盆地具有分區(qū)沉降突變性和沉陷分布格局控制性特點(diǎn)，巖層的空間破壞范圍隨著煤層開(kāi)采層數(shù)的增加和開(kāi)采深度的加大而擴(kuò)大，其破壞特征主要表現(xiàn)為累積性和突變性。

急傾斜 多煤層 地表移動(dòng)規(guī)律 巖層破壞特征 相似材料模型

急傾斜煤層一般指傾角大于45°的煤層，其變質(zhì)程度高，多為無(wú)煙煤，煤質(zhì)優(yōu)良，具有很高的開(kāi)采價(jià)值。我國(guó)急傾斜煤層開(kāi)采礦井有100多處，遍布唐山、北京、華亭、淮南、烏魯木齊等20多個(gè)礦區(qū)[1-2]。目前國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始系統(tǒng)地研究急傾斜煤層開(kāi)采后地表移動(dòng)變形和巖層破壞規(guī)律[3-8]。閻躍觀等[3]揭示了大臺(tái)礦急傾斜煤層群開(kāi)采地表移動(dòng)變形規(guī)律和圍巖垮落、破壞機(jī)理，并與實(shí)地觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。戴華陽(yáng)等[4]分析了唐山馬家溝礦多年積累的實(shí)測(cè)資料，揭示了急傾斜煤層開(kāi)采條件下地表沉陷在空間上的分區(qū)沉陷特點(diǎn)。鄭汝育等[5]采用相似材料模型試驗(yàn)得出了不同煤層傾角的地表下沉曲線，通過(guò)擬合建立了緩傾斜煤層與急傾斜煤層開(kāi)采地表預(yù)計(jì)都適合的預(yù)計(jì)函數(shù)數(shù)學(xué)模型。王明立等[6]利用數(shù)值模擬的方法，研究了急傾斜煤層群開(kāi)采條件下覆巖破壞和煤柱穩(wěn)定性的規(guī)律。周鳴等[7]通過(guò)分析沛城煤礦急傾斜厚煤層條帶開(kāi)采的實(shí)測(cè)資料，對(duì)地表下沉盆地形態(tài)、移動(dòng)變形值、地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間、對(duì)建筑物影響等方面進(jìn)行對(duì)比，得出采用條帶開(kāi)采可有效地保護(hù)地面建(構(gòu))筑物不受破壞。麻鳳海等[8]以趙各莊礦為例，采用有限差分軟件FLAC2D研究在斷層影響下急傾斜煤層開(kāi)采對(duì)上覆巖層應(yīng)力位移的變化規(guī)律 。

通過(guò)文獻(xiàn)分析可知，相比緩傾斜煤層，急傾斜煤層賦存條件復(fù)雜，對(duì)地表與巖層移動(dòng)的影響有特殊性，且對(duì)其研究還不夠不充分。為此本研究以開(kāi)灤集團(tuán)趙各莊礦急傾斜多煤層開(kāi)采為研究對(duì)象，采用相似材料模型實(shí)驗(yàn)，對(duì)采動(dòng)后地表移動(dòng)變形規(guī)律和巖層破壞特征進(jìn)行分析。

1 礦區(qū)概況

趙各莊礦是我國(guó)開(kāi)采深度最大的礦井之一，礦區(qū)地形較平坦，松散層薄，局部基巖出露地表。礦井西翼主要開(kāi)采急傾斜煤層群，煤層大致是東西走向，向南傾斜。煤層傾角為60°～70°，含可采煤層3層，分別為7煤、9煤、12煤。各煤層的厚度和間距見(jiàn)表1。煤層頂、底板以砂巖為主。趙各莊礦16號(hào)地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

表1 可采煤層厚度與煤層間距

圖1 趙各莊礦16號(hào)地質(zhì)剖面

2 相似材料模型實(shí)驗(yàn)

2.1 模型幾何尺寸與材料配比設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)參照趙各莊礦16號(hào)地質(zhì)剖面圖及其他相關(guān)地質(zhì)采礦資料，模型設(shè)計(jì)時(shí)模擬可采煤層3層，從上到下分別為7煤、9煤、12煤；設(shè)計(jì)采厚分別為2、7、9 m；7煤與9煤層間距為27 m，9煤與12煤層間距為36 m。

根據(jù)模型架尺寸，相似材料模型的比例尺設(shè)計(jì)為al=1∶600，重度比為ar=0.6，則強(qiáng)度比為aσ=0.001 2，時(shí)間比為at=0.044 7。由上述的模擬材料的容重、抗壓強(qiáng)度，選取材料配比，計(jì)算出各層用料量，進(jìn)行模型制作。相似材料模型實(shí)驗(yàn)初始形態(tài)及觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖2所示。

圖2 模型實(shí)驗(yàn)初始形態(tài)及測(cè)點(diǎn)布設(shè)

相似材料模型實(shí)驗(yàn)按照相似常數(shù)進(jìn)行配比模擬，基巖采用河沙為骨料，碳酸鈣和石膏為膠結(jié)材料鋪設(shè)，云母片分層，進(jìn)行材料配比和模型制作，相似材料模型實(shí)驗(yàn)材料配比參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 相似材料模型實(shí)驗(yàn)材料配比參數(shù)

2.2 模型開(kāi)采設(shè)計(jì)

在制作完模型以后，布置測(cè)點(diǎn)并待模型干燥3～5 d。本試驗(yàn)根據(jù)實(shí)際開(kāi)采情況，分為6個(gè)階段進(jìn)行開(kāi)采，開(kāi)采順序見(jiàn)表3。

表3 模型實(shí)驗(yàn)開(kāi)采順序

2.3 模型觀測(cè)設(shè)計(jì)

本次模型試驗(yàn)的目的是模擬急傾斜煤層采動(dòng)引起的地表移動(dòng)和巖層破壞特征，需要測(cè)量的范圍是采動(dòng)過(guò)程中整個(gè)模型架中的巖層和地表。為了更有效地觀測(cè)巖層的移動(dòng)情況，觀測(cè)線的布置方向沿著巖層層面布置，如圖2中E、F、…、M、N線，并沿著地表布設(shè)了1條觀測(cè)線。巖層中各觀測(cè)線垂直間距100 mm，各測(cè)點(diǎn)水平間距100 mm，共計(jì)鋪設(shè)213個(gè)觀測(cè)點(diǎn)(包括4個(gè)控制點(diǎn))。采用全站儀觀測(cè)法。每個(gè)階段采完后觀測(cè)1次，加上首次觀測(cè)，共進(jìn)行了7次觀測(cè)，觀測(cè)位移的精度<±0.2 mm[9]。

3 地表移動(dòng)變形規(guī)律分析

6個(gè)水平全部開(kāi)采后地表裂縫分布與巖層垮落形態(tài)如圖3所示。分析整理傾向剖面上7次沿地表的觀測(cè)數(shù)據(jù)，可以繪制模型實(shí)驗(yàn)各水平地表的下沉、傾斜、水平移動(dòng)、水平變形和曲率曲線，如圖4所示。

圖3 第6水平開(kāi)采后地表裂縫與巖層破壞圖

圖4 各水平開(kāi)采地表移動(dòng)變形曲線

由圖3和圖4分析可知，地表沉陷盆地主要表現(xiàn)為分區(qū)沉降突變性和沉陷分布格局控制性，各水平開(kāi)采地表移動(dòng)變形曲線的分布規(guī)律如下：

(1)總體上看，下沉盆地的非對(duì)稱性十分明顯，下山方向的影響范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上山方向。-100 m水平開(kāi)采后，曲線呈近似對(duì)稱分布，隨著以后幾個(gè)水平的開(kāi)采，非對(duì)稱性越來(lái)越明顯，最大下沉值也隨之增大。由于各水平之間留設(shè)煤柱的作用，煤柱未垮落前地表移動(dòng)變形變化較??；在-200 m和-500 m水平開(kāi)采后，留設(shè)的階段煤柱失穩(wěn)垮落，地表出現(xiàn)2次較大的突變，且移動(dòng)變形量增加幅度較大。當(dāng)?shù)乇沓料菖璧匦螒B(tài)基本定形，繼續(xù)向下開(kāi)采一定范圍內(nèi)煤柱時(shí)，地表形態(tài)表現(xiàn)為下沉值加大，變形增大，但沉陷范圍與大變形出現(xiàn)的位置基本不變，對(duì)地表沉陷分布格局起到一定的控制作用。

(2)由于-100 m水平煤層露頭離地面較淺且煤層傾角較大，所以傾斜曲線近似對(duì)稱。下山一側(cè)的最大傾斜值略大于上山一側(cè)。上、下山的最大傾斜值的位置均位于對(duì)應(yīng)的上、下山邊界在地表的投影點(diǎn)附近。傾斜變形大的地方主要集中于煤層露頭處。下山一側(cè)，地表產(chǎn)生2條裂縫，裂縫處出現(xiàn)非連續(xù)的傾斜變形且傾斜較大。其他區(qū)域傾斜變化連續(xù)且變形值較小。從-200 m水平開(kāi)始，傾斜值的變化都是在-100 m水平的基礎(chǔ)上增大，曲線整體形態(tài)變化較小。

(3)在煤層露頭區(qū)域，下沉盆地剖面上兩邊各有一正曲率區(qū)，上山方向的范圍較小，下山方向的范圍較大。盆地中央的最大負(fù)曲率值(絕對(duì)值)最大，下山方向的最大正曲率值次之，上山方向的最大正曲率值最小。正曲率出現(xiàn)在煤層未采部分上方以及開(kāi)采線上方附近，負(fù)曲率出現(xiàn)在煤層采空區(qū)上方。最大負(fù)曲率比最大正曲率的絕對(duì)值大。-200 m水平以后曲率的變化都是在-100 m水平的基礎(chǔ)上變化的。

(4)水平移動(dòng)分布曲線的非對(duì)稱性更加明顯，基本上都是正值，說(shuō)明巖層整體向上山方向移動(dòng)，幾乎向下山方向沒(méi)有移動(dòng)。下山一側(cè)的最大水平移動(dòng)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上山一側(cè)。水平移動(dòng)主要集中在頂板一側(cè)x=300～1 300 m之間，當(dāng)x>1 300 m時(shí)，為煤層露頭區(qū)域，幾乎沒(méi)有水平移動(dòng)。

(5)最大壓縮變形值位于煤層露頭處，出現(xiàn)壓縮變形集中區(qū)。隨著煤層的開(kāi)采，上山一側(cè)地表出現(xiàn)了兩條裂縫，位于x=450 m和900 m的位置，在水平變形曲線上出現(xiàn)非連續(xù)變形，主要表現(xiàn)為拉伸變形。

4 巖層破壞特征分析

巖層內(nèi)分別布設(shè)測(cè)線E、F、G、H、I、J、K、L、M、N。實(shí)驗(yàn)開(kāi)采過(guò)程中E、G、J測(cè)線部分測(cè)點(diǎn)在巖層垮落過(guò)程中掉落，其余觀測(cè)線測(cè)點(diǎn)較完整，L、M、N測(cè)線距離開(kāi)采區(qū)域較遠(yuǎn)，移動(dòng)值較小，特選取巖層主要移動(dòng)變形區(qū)域內(nèi)的代表性測(cè)線F、H、I、K作為研究對(duì)象進(jìn)行分析。F、H、I、K測(cè)線距7煤的垂距分別為120、300、390、540 m。各測(cè)線下沉曲線如圖5所示，圖中橫軸沿巖層層面方向，豎軸沿巖層法向方向，觀測(cè)線零點(diǎn)位于整條觀測(cè)線采深最大的位置。

圖5 各階段開(kāi)采F、H、I、K測(cè)線下沉曲線

結(jié)合圖3和圖5分析可知，測(cè)線距離開(kāi)采煤層越遠(yuǎn)，受到的采動(dòng)影響越小，移動(dòng)變形值越小，覆巖破壞范圍越小，破壞程度越輕微。隨著開(kāi)采階段的增加，同一條測(cè)線各測(cè)點(diǎn)的最大下沉值均逐步增大。-100 m水平開(kāi)采，4條測(cè)線下沉值受采動(dòng)影響都很??；-200 m水平開(kāi)采，從地表至采深250 m范圍內(nèi)，巖層沿煤層法向方向整體垮落充填采空區(qū)，最大下沉值突增到11 m，對(duì)其余3條測(cè)線影響相對(duì)較?。?300、-400 m水平開(kāi)采，下沉值只是在原有基礎(chǔ)上略有增大，但曲線形態(tài)變化不大，主要表現(xiàn)為累積性；-500 m水平開(kāi)采，F(xiàn)測(cè)線采深250～750 m，H測(cè)線地表至采深650 m，I測(cè)線地表至采深610 m，K測(cè)線地表至采深500 m范圍內(nèi)，巖層移動(dòng)再次突變，最大下沉值均明顯增大；-600 m水平開(kāi)采，各測(cè)線再次表現(xiàn)出累積性，下沉值在-500 m水平的基礎(chǔ)上略有增加，但巖層破壞的分布形態(tài)變化不大。

可見(jiàn)巖層的空間破壞范圍隨著煤層開(kāi)采層數(shù)的增加和開(kāi)采深度的加大而擴(kuò)大，其破壞特征主要表現(xiàn)為突變性和累積性，且兩者重復(fù)交替出現(xiàn)。

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)相似材料模型實(shí)驗(yàn)揭示了急傾斜多煤層開(kāi)采地表移動(dòng)變形規(guī)律。隨著開(kāi)采范圍的擴(kuò)大和開(kāi)采深度增加，地表下沉曲線非對(duì)稱性越來(lái)越明顯，下山一側(cè)影響范圍遠(yuǎn)大于上山一側(cè)，煤層露頭處下沉值最大；巖層整體向上山方向移動(dòng)。后續(xù)階段開(kāi)采地表移動(dòng)變形都是在前一階段基礎(chǔ)上發(fā)展形成的，各階段開(kāi)采地表下沉盆地具有分區(qū)沉降突變性和沉陷分布格局控制性的特點(diǎn)。

(2)實(shí)驗(yàn)表明，受煤層開(kāi)采影響，頂板一側(cè)巖層破壞范圍和程度遠(yuǎn)大于底板一側(cè)，覆巖離開(kāi)采區(qū)域越近，覆巖破壞范圍越大，破壞程度越嚴(yán)重。隨著煤層開(kāi)采層數(shù)的增加和開(kāi)采深度的加大，巖層破壞具有突變性和累積性，且兩者重復(fù)交替出現(xiàn)的特征。

[1] 戴華陽(yáng)，王金莊.急傾斜煤層開(kāi)采沉陷[M].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2005. Dai Huayang，Wang Jinzhuang.The Mining Subsidence of the Deeply Inclined Coal Seam[M].Beijing:China Science and Technology Press，2003.

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(責(zé)任編輯 石海林)

Surface Movement Law and Rock Strata Failure in Mining of Steeply Inclined Multiple Coal Seams

Yan Yueguan1Dai Huayang1Lu Zhiqing1,2Guo Junting1Tian Xiuguo2

(1.TheCollegeofGeoscienceandSurveyingEngineering，ChinaUniversityofMining&Technology，Beijing100083，China;2.KailuanGroup，Tangshan063018，China)

The overburden failure and surface movement law during mining of the steeply inclined multiple coal seams are different from the gently inclined one.With the similar material simulation，the mining process of steep inclined multiple coal seams in Zhaogezhuang mine is simulated.Through analyzing 7 groups of observed data，the surface movement deformation law and overburden failure at different mining stages were obtained.The simulation results show that the surface subsidence basin has the features of paroxysmal partition subsidence and controlled subsidence distribution pattern.With the increase of the numbers of coal seam mining layer and the expansion of mining depth，the space of rock strata failure is enlarged.The main performance of rock failure is cumulative and paroxysmal.

Steeply inclined，Multiple coal seams，Surface movement law，Rock strata failure characteristics，Similar material model

2015-02-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：50974122)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(編號(hào)：2010QD01)。

閻躍觀(1981—)，男，講師，博士。

TD325

A

1001-1250(2015)-04-089-05