彭東東

（山西潞安礦業(yè)（集團(tuán)）高河能源有限公司，山西 長(zhǎng)治047100）

掌握工作面上覆巖層移動(dòng)規(guī)律對(duì)于掌握工作面導(dǎo)水裂隙帶范圍，以及分析地表巖移規(guī)律均具有重要意義[1-4]。高河煤礦東盤(pán)區(qū)3#煤層整體較厚，埋深較西盤(pán)區(qū)大，且上覆地層中黃土層較薄、基巖較厚，為了充分掌握工作面上覆巖層移動(dòng)規(guī)律，給工作面布置及礦井“三下”開(kāi)采提供參考，需對(duì)綜放工作面上覆巖層移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析。

1 工程概況

高河煤礦主要開(kāi)采煤層為山西組3#煤，含泥巖、炭質(zhì)泥巖夾矸0～5層，一般1～2層，煤層厚5.15～12.10 m，平均厚6.71 m，傾角2°～8°。地面標(biāo)高+902.02～+1003.20 m，地形總體呈南高北低趨勢(shì)。

E1302工作面位于東一盤(pán)區(qū)東部，四周均未開(kāi)采。工作面走向長(zhǎng)約2140 m，傾向?qū)?30 m，采厚7 m，煤層傾角3°，平均開(kāi)采深度為400 m，表土層厚度為45 m。3#煤層直接頂板為泥質(zhì)巖，局部為粉砂巖及砂巖，厚11.68 m，厚度穩(wěn)定性差，結(jié)構(gòu)松軟，吸水易軟化、強(qiáng)度較低；老頂為砂巖，厚20.10 m，不規(guī)則裂隙發(fā)育；直接底板為泥質(zhì)巖石，局部為粉砂巖，厚3.05 m，其下為砂巖。3#煤層上覆巖層主要由砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖和第四紀(jì)黃土層組成，屬厚沖積層覆蓋區(qū)。

2 覆巖移動(dòng)數(shù)值模擬分析

根據(jù)E1302綜放工作面實(shí)際地質(zhì)情況，對(duì)采礦地質(zhì)條件進(jìn)行簡(jiǎn)化，并采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立數(shù)值分析模型，對(duì)工作面地表移動(dòng)、覆巖移動(dòng)和破壞規(guī)律進(jìn)行分析。數(shù)值模擬計(jì)算采用巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算采用巖體力學(xué)參數(shù)

2.1 地表移動(dòng)分析

E1302工作面綜放開(kāi)采后地表下沉和水平移動(dòng)情況見(jiàn)圖1、圖2。由數(shù)值模擬的結(jié)果可知：

（1）E1302工作面采用綜放開(kāi)采后，地表最大下沉值達(dá)到4520 mm左右，下沉率達(dá)到0.64；地表最大水平移動(dòng)值為1430 mm，水平移動(dòng)系數(shù)為0.32；走向邊界角為58°，傾向邊界角為55°（表土層移動(dòng)角Φ取45°）。表2為統(tǒng)計(jì)的數(shù)值模擬E1302工作面綜放開(kāi)采后地表沉陷情況。

表2 E1302工作面綜放開(kāi)采后地表沉陷情況

（2）與高河煤礦周邊類似地質(zhì)條件下的分層綜采和普采對(duì)比可知，綜放一次采全高開(kāi)采后地表下沉系數(shù)和邊界角均相比增大，工作面開(kāi)采引起的地表沉陷久會(huì)相對(duì)劇烈，移動(dòng)盆地非常陡峭，移動(dòng)變形集中。與分層綜放相比，地表下沉系數(shù)介于分層綜放初采與復(fù)采之間，見(jiàn)表3。

表3 潞安礦區(qū)類似地質(zhì)條件地表沉陷情況

（3）E1302工作面位于高河礦東一盤(pán)區(qū)，與西一盤(pán)區(qū)厚黃土層相比，東一盤(pán)區(qū)地表下沉系數(shù)、水平移動(dòng)系數(shù)以及邊界角均相對(duì)較小，但是通過(guò)數(shù)據(jù)觀測(cè)分析可知工作面開(kāi)采后地表變形則較為劇烈，移動(dòng)變形也更加集中。對(duì)比分析可知西一盤(pán)區(qū)厚黃土層對(duì)地表沉陷變形具有平緩的作用，表現(xiàn)出了厚松散層的特點(diǎn)。由于東一盤(pán)區(qū)松散層相對(duì)較薄，不具備厚松散層的特點(diǎn)，在綜放開(kāi)采條件下，地表沉陷劇烈且變形集中，地表裂縫和破壞會(huì)比較嚴(yán)重。

圖1 E1302工作面綜放開(kāi)采后地表下沉云圖

圖2 E1302工作面綜放開(kāi)采后地表水平移動(dòng)云圖

2.2 覆巖移動(dòng)分析

E1302工作面綜放開(kāi)采后巖層走向和傾向主剖面上的垂直移動(dòng)情況見(jiàn)圖3。

圖3 E1302工作面開(kāi)采后巖層垂直移動(dòng)云圖

由圖3分析可知：

（1）巖層移動(dòng)量

E1302工作面開(kāi)采后，在采動(dòng)覆巖中，以采空區(qū)幾何中心為參照點(diǎn)，在開(kāi)采影響中央?yún)^(qū)域，離中心越近則巖層移動(dòng)量越大，離中心越遠(yuǎn)則巖層移動(dòng)量越小，直接頂板移動(dòng)量最大，相對(duì)應(yīng)的地表移動(dòng)量最小，這反映了開(kāi)采空間在上傳過(guò)程中的耗散。

（2）巖層移動(dòng)量大小變化特征

工作面煤層開(kāi)采后應(yīng)力重新分布，工作面上覆巖層產(chǎn)生自下而上的移動(dòng)，并會(huì)逐步衰減，上覆巖層垮落后破碎巖塊堆積是得松散體體積增大，會(huì)充填一部分開(kāi)采空間，但是并不能完全充填，大部分仍會(huì)向上傳遞，形成地表呈現(xiàn)。數(shù)值模擬分析可知，基巖上位巖層和下位巖層下沉量差值很大，說(shuō)明基巖內(nèi)的巖層移動(dòng)出現(xiàn)明顯的衰減現(xiàn)象；與基巖內(nèi)不同層位的下沉量差異相比，松散層內(nèi)不同層位的下沉量基本保持一致，可見(jiàn)松散層為整體下沉變形，且松散層可以緩減基巖面的變形，降低地表變形了。東一盤(pán)區(qū)由于松散層相對(duì)較薄，地表變形更趨近于基巖面變形，變形劇烈且集中。

2.3 覆巖破壞分析

E1302工作面綜放開(kāi)采后巖層走向和傾向主剖面上的巖體塑性區(qū)分布情況見(jiàn)圖4所示，分析可知：

（1）由于綜放工作面的逐漸開(kāi)采，采空區(qū)上方頂板將失去支撐體，煤層上覆巖層在其自重應(yīng)力作用下，其內(nèi)部?jī)?chǔ)存的能量必然要通過(guò)一定的路徑轉(zhuǎn)移和釋放。變形是頂板釋放能量的最直接的方法，表現(xiàn)為頂板下沉，變形使頂板內(nèi)形成了豎向的剪切力和一定的拉應(yīng)力。由于采空區(qū)周邊煤體的限制作用，采空區(qū)周邊頂板所受剪切力較大。因此，這些部位將最先導(dǎo)致剪切破壞。而在離采空區(qū)較遠(yuǎn)處的頂板，由于周邊煤體對(duì)其變形的限制作用小，頂板能量釋放較為充分，主要表現(xiàn)為拉破壞。

（2）從巖層塑性區(qū)分布特征來(lái)看，沿傾向剖面的塑性區(qū)（即導(dǎo)水裂縫帶）發(fā)育形態(tài)形成了兩邊高中間低較明顯的馬鞍形形態(tài)。數(shù)值模擬測(cè)得導(dǎo)水裂縫帶兩邊發(fā)育高度約為140 m，裂高采厚比為20；中間發(fā)育高度約為98 m，裂高采厚比為24。而在同樣采厚的條件下，采用分層綜采和普采的裂高采厚比約為8～16。說(shuō)明綜放開(kāi)采導(dǎo)水裂縫帶高度較大，覆巖破壞嚴(yán)重。其原因在于綜放開(kāi)采采動(dòng)空間大，直接頂冒落后不能充滿采空區(qū)，使得上覆巖層在垂直應(yīng)力的作用下產(chǎn)生較大的回轉(zhuǎn)變形，采空區(qū)及上覆巖層應(yīng)力重新分布，造成覆巖內(nèi)的應(yīng)力產(chǎn)生極不平衡狀態(tài)，進(jìn)而產(chǎn)生脆性怕破壞，從而導(dǎo)致上覆巖層垮落列席帶的增加。

圖4 E1302工作面開(kāi)采后巖體塑性區(qū)分布

3 結(jié)語(yǔ)

1）研究表明巖層移動(dòng)在基巖內(nèi)衰減較為明顯，在松散層內(nèi)近似整體沉降，厚基巖具有一定的控制地表沉陷變形的能力；基巖塑性破壞區(qū)發(fā)育形態(tài)為馬鞍形，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度最大約為140 m，裂高采厚比為20，覆巖破壞非常嚴(yán)重。

2）綜采放頂煤一次采全高開(kāi)采強(qiáng)度大，垮落裂縫帶高度增加，使得工作面開(kāi)采后上覆巖層發(fā)生連續(xù)的沉降變形，逐步將垮落裂隙帶巖層壓實(shí)，地表的沉陷變形值增大，地表裂縫增加，從而導(dǎo)致地表下沉系數(shù)增大。