厚松散层薄基岩下采煤地表移动规律与数值模拟.pdf

d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 1-3 5 8 X.2 0 2 2.0 1.0 0 2厚松散层薄基岩下采煤地表移动规律与数值模拟朱向阳(江苏徐矿能源股份有限公司 张双楼煤矿,江苏 徐州 2 2 1 6 1 6)摘要:基于张双楼煤矿地表移动观测站实测资料,分析了厚松散层薄基岩下采煤的地表移动变形特征,应用F L A C 3 D数值模拟方法,探讨了厚松散层薄基岩下采煤地表移动变形规律的特点。研究结果表明:厚松散层薄基岩条件下地表移动过程剧烈,下沉盆地陡峭;下沉速度快,滞后时间短,上覆岩层呈整体快速下沉趋势;下沉值大,影响范围广。研究成果可用于指导本矿区建筑物下采煤及村庄保护煤柱留设。关键词:厚松散层;薄基岩;开采沉陷;数值模拟中图分类号:T D 3 2 5 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1-3 5 8 X(2 0 2 2)0 1-0 0 0 5-0 4S u r f a c em o v e m e n t l a wa n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o no fc o a lm i n i n gu n d e r t h i c kl o o s e l a y e ra n dt h i nb e d r o c kZ h uX i a n g y a n g(Z h a n g s h u a n g l o uC o a lM i n e,J i a n g s uX u k u a n gE n e r g yC o.,L t d.,X u z h o u2 2 1 6 1 6,C h i n a)A b s t r a c t:B a s e do nt h es u r v e y e dd a t af r o mt h es u r f a c em o v e m e n to b s e r v a t i o ns t a t i o ni nZ h a n g s h u a n g l o uC o a lM i n e,t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h es u r f a c em o v e m e n t a n dd e f o r m a t i o no f t h ec o a lm i n i n gu n d e r t h et h i c kl o o s e l a y e ra n dt h et h i nb e d r o c kw e r ea n a l y z e d.U s i n gF L A C 3 Dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d,t h ec h a r a c-t e r i s t i c so f t h e s u r f a c em o v e m e n t a n dd e f o r m a t i o n l a wo f t h e c o a lm i n i n gu n d e r t h e t h i c k l o o s e l a y e r a n d t h et h i nb e d r o c kw e r ed i s c u s s e d.R e s u l t ss h o w e dt h a t t h es u r f a c em o v e m e n tp r o c e s sw a sv i o l e n tu n d e r t h ec o n-d i t i o no f t h e t h i c k l o o s e l a y e r a n dt h e t h i nb e d r o c k,a n dt h es i n k i n gb a s i nw a s s t e e p,t h es i n k i n gs p e e dw a sf a s t,a n dt h e l a g t i m ew a s s h o r t,a n d t h eo v e r l y i n g r o c k l a y e r s h o w e da no v e r a l l r a p i ds u b s i d e n c e t r e n d,t h es i n k i n gv a l u ew a s l a r g ea n dt h e i n f l u e n c er a n g ew a sw i d e.R e s e a r c hr e s u l t sc o u l db eu s e dt og u i d et h ec o a lm i n i n gu n d e rb u i l d i n g s i nt h i sm i n i n ga r e aa n dt h ep r o t e c t i o no f t h ec o a l p i l l a r s i nv i l l a g e s.K e yw o r d s:t h i c kl o o s e l a y e r;t h i nb e d r o c k;m i n i n gs u b s i d e n c e;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n引用格式:朱向阳.厚松散层薄基岩下采煤地表移动规律与数值模拟J.矿山测量,2 0 2 2,5 0(1):5-8.地下煤炭资源被采出以后,会引起岩层和地表的移动与变形,其移动与变形特征与许多地质、采矿因素有密切关系1。大量实测资料和研究成果表明,厚松散层薄基岩下采煤所显现的地表移动变形特征相比一般规律存在明显差异2-5,表现为地表移动过程加快、损害影响范围更远、对建(构)筑物的危害更大。对于厚松散层下采煤地表移动规律,专家学者进行了很多有针对性的研究,徐良骥等6对厚松散层开采条件下覆岩运动与地表移动规律进行了研究,对地表下沉系数和移动活跃期等问题进行了分析总结;陈才贤、高永格等7-8通过现场实测,研究了厚松散层条件下采煤的地表沉降特征,并对最大下沉速度、最大下沉速度滞后距以及移动持续时间进行了分析;李春意等9通过现场实测与数值模拟研究表明,采动程度与地表下沉率服从B o l t z-m a n n函数关系,与最大下沉角服从负指数函数关系;汪锋等1 0建立了“松散层拱”结构模型,分析了松散层拱的形态特征,得出了矢跨比和厚度的计算公式。本文以张双楼煤矿地表岩移观测站实测资料为基础,对厚松散层薄基岩下采煤的地表移动规律及5第5 0卷第1期2 0 2 2年2月 矿 山 测 量M I N ES UR V E Y I N G V o l.5 0N o.1F e b.2 0 2 2特点做了一些探讨。1 地质采矿条件张双楼煤矿是徐矿集团在江苏本部唯一的生产矿井,年生产能力1 2 0万t/a,主采山西组7煤、9煤。试验面7 2 0 1工作面位于西一采区南部,该面为一走向长壁面,倾斜采宽1 7 02 4 0m,回采长度9 8 0m,开采7煤层,采厚约为3.8m,平均倾角约2 2,开采标高-2 4 0-3 3 0m,地面标高+3 8m。开采时间为2 0 1 9年1 1月1 2日2 0 2 0年9月3 0日,工作面沿走向从西向东推进,推进速度约9 0m/月,采煤方法为综采,全部垮落法管理顶板。煤层上覆基岩以砂岩、泥岩、砂质泥岩为主,厚度为2 7.8 51 0 0.6m,平均厚度为6 4.4 3m,岩性属于中硬类型。第四系由粘土、砂质粘土、细中粗砂及砂砾层组成,厚度为2 3 8.62 5 3.0m,平均2 4 5m。区域地质构造较为简单,未发现断层、陷落柱等破坏性构造。2 地表移动变形观测地表移动观测站布置在7 2 0 1工作面的正上方,区域内地势较为平坦,便于测点的埋设和数据采集。为了充分反映地表移动与变形特征,沿工作面走向和倾向布设了两条观测线,倾向观测线垂直于7 2 0 1工作面走向方向布设,设地表测点2 2个,走向观测线平行于7 2 0 1工作面走向方向,设地表测点1 0个。观测线与工作面的位置关系如图1所示。图1 地表移动观测站布设示意图地表观测站从2 0 1 9年1 0月2 8日开始观测,至2 0 2 1年2月8日观测结束,期间共观测了3 3次,获得了大量的观测数据。3 地表移动变形特征及规律3.1 地表下沉盆地形态根据观测站实测数据,分别计算了走向观测线和倾向观测线的移动变形情况,走向线最大下沉值为36 4 3mm,最大水平移动值为14 1 1mm;倾向线最大下沉值为35 6 3mm,最大水平移动值为14 1 4mm,具体情况如表1、图2所示。从下沉曲线的分布特征可知:(1)采空区中部地表移动变形显著,在倾向方向上工作面采宽1 6 7m,采宽采深比为0.5 4,最大下沉值与采厚之比为0.9 4,相比一般开采条件,下沉值明显偏大;(2)采动影响范围远,地表下沉盆地边界(下沉值1 0mm)距工作面顺槽2 1 9m。表1 地表最大移动变形值下沉/mm倾斜/(mm/m)曲率/(1 0-3/m)水平移动/mm水平变形/(mm/m)走向线36 4 34 2.60.9 5-0.7 814 1 12 0.1-1 2.7倾向线35 6 33 1.30.6 8-0.3 914 1 41 3.2-1 2.1图2 地表下沉曲线3.2 地表移动变形参数3.2.1 概率积分法预计参数根据下沉盆地主断面上的移动变形值及移动特征,采用概率积分法进行拟合求参,确定地表移动预计参数如表2所示。由表2可知,地表下沉系数较大,拐点偏移系数较小。6第1期 矿 山 测 量 2 0 2 2年2月表2 概率积分法预计参数下沉系数q水平移动系数b主要影响角正切t g拐点偏移系数(S/H)影响传播角系数K0.9 70.3 22.10.0 40.23.2.2 动态移动参数在开采过程中,地表测点的移动变形非常活跃。根据实测资料,绘制了走向线A 8测点的下沉速度曲线,如图3所示。地表最大下沉速度为6 3.8mm/d,最大下沉速度滞后距为1 0m,最大下沉速度滞后角为8 8,表明采后岩层移动从下往上快速传播至地表,动态岩移参数如表3所示。图3 地表下沉速度曲线表3 动态岩移参数最大下沉速度/(mm/d)最大下沉速度滞后角/()初始期/d活跃期/d衰退期/d6 3.88 821 4 41 9 04 数值模拟4.1 计算模型为深入研究厚松散层薄基岩下采煤地表及岩层的移动规律,应用数值模拟方法对7 2 0 1工作面覆岩破坏特征以及地表移动规律进行分析,建立了基于F L A C 3 D的数值计算模型,如图4所示。模拟工作面开采宽度为1 7 02 4 0m,长度为9 8 0m,煤层采厚为3.8m,采深为2 7 73 6 7m。为了模拟工作面周边围岩的变形和破坏,模型在走向上两侧各增加了4 0 0m,上、下山方向分别增加3 0 0m、6 0 0m,底板延伸至标高-6 0 0m。根据采区覆岩物理力学特性,采用的岩体力学参数如表4所示。图4 数值计算模型图表4 岩体力学参数岩层弹性模量E/G P a容重d/(k g/m3)泊松比抗拉强度/MP a摩擦角/()内聚力C/MP a松散层0 0.418 0 00.3 80 0.1 22 41.2顶 板1 4.124 8 00.2 21.13 06.0煤0 4.013 8 00.1 50.22 52.0底 板1 9.327 0 00.2 21.63 29.04.2 模拟结果分析4.2.1 地表移动分析7 2 0 1工作面开采后地表下沉云图如图5所示,工作面开采后地表最大下沉值为37 2 0mm,其下沉率为0.9 8,求得充分开采条件下地表下沉系数约为0.9 6。地表移动特征表现为下沉盆地向下山方向偏移不明显,移动变形集中,至边界处收敛慢,移动盆地影响范围偏大;下山方向较上山方向地表水平移动更为显著;地表下沉系数偏大。图5 地表下沉云图7第1期 朱向阳:厚松散层薄基岩下采煤地表移动规律与数值模拟 2 0 2 2年2月4.2.2 覆岩移动分析7 2 0 1工作面开采后岩层竖直移动云图如图6所示,在采动覆岩内,离采空区中心越近岩层移动量越大,离中心越远岩层移动量越小,反映出覆岩移动在上传过程中的耗散。从覆岩移动量大小来看,基岩和松散层内移动衰减都不明显,采空区上方直接顶下沉量接近采厚,松散层作为抗弯能力很低的松散介质,随基岩移动呈整体下沉趋势。图6 岩层竖直移动云图4.2.3 覆岩应力分析7 2 0 1工作面开采后岩层竖直应力云图如图7所示,采场周围应力重新分布,在采场上方形成卸压区,覆岩内竖直应力降低;采场两侧煤体形成支撑压力区,覆岩内竖向应力增大,在采场两侧1 57 0m的煤体内岩层压应力最大,在此范围以外,岩层竖向应力逐渐下降并趋于正常。图7 岩层竖直应力云图通过数值模拟可知,厚松散层薄基岩下采煤工作面顶板控制覆岩移动变形的能力低,基岩与松散层呈整体连续下沉趋势,采动变形在覆岩内衰减不明显,覆岩内的离层、裂隙未得到充分发育,使得岩层移动加剧、地表沉陷显著。5 结 论(1)厚松散层薄基岩条件下采煤地表沉陷变形非常剧烈,通过实测数据分析,其地表下沉系数偏大,为0.9 7,拐点偏移系数为0.0 4、开采影响传播角系数为0.2,与一般开采条件下相比参数偏小。(2)地表动态变形在时间上更为集中,最大下沉速度快,最大下沉速度为6 3.8mm/d,最大下沉速度滞后角为8 8,岩层移动从下往上快速传播至地表,上覆地层呈整体快速下沉趋势。(3)通过数值模拟得出,厚松散层薄基岩下采煤工作面顶板控制覆岩移动变形的能力低,上覆地层呈整体下沉趋势,离层、裂隙未得到充分发育,致使岩层移动加剧、地表沉陷显著。参考文献:1 何国清,杨伦,凌赓娣,等.矿山开采沉陷学M.徐州:中国矿业大学出版杜,1 9 9 1.2 李德海,许国胜,余华中.厚松散层煤层开采地表动态移动变形特征研究J.煤炭科学技术,2 0 1 4,4 2(7):1 0 3-1 0 6.3 郑志刚,易四海,滕永海.厚黄土层下综放开采地表移动观测与数值模拟分析J.煤矿开采,2 0 1 3,1 8(5):7 3-7 5.4 陈俊杰,陈勇,郭文兵,等.厚松散层开采条件下地表移动规律研究J.煤炭科学技术,2 0 1 3,4 1(1 1):9 5-9 7,1 0 2.5 汤伏全,张健.西部矿区巨厚黄土层开采裂缝机理J.辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2 0 1 4,3 3(1 1):1 4 6 6-1 4 7 0.6 徐良骥,王少华,马荣振,等.厚松散层开采条件下覆岩运动与地表移动规律研究J.测绘通报,2 0 1 5(1 0):5 2-5 6.7 陈才贤,苏静,赵忠义.巨厚松散层下煤层开采地表移动规律研究J.煤矿开采,2 0 1 7,2 2(3):5 9-6 1,7 7.8 高永格,牛矗,张强,等.厚松散层下采煤地表沉陷特征研究J.煤炭科学技术,2 0 1 9,4 7(6):1 9 2-1 9 8.9 李春意,马爱阳,丁来中,等.厚黄土层下采动地表沉陷规律研究J.金属矿山,2 0 1 9(1 0):1 4-2 2.1 0 汪锋,陈绍杰,许家林,等.基于松散层拱结构理论的岩层控制研究J.煤炭科学技术,2 0 2 0,4 8(9):1 3 0-1 3 8.作者简介:朱向阳(1 9 7 2-),男,汉族,江苏铜山人,本科,工程师,在江苏徐矿能源股份有限公司张双楼煤矿征迁科从事技术管理工作。(收稿日期:2 0 2 1-1 2-2 0)8第1期 矿 山 测 量 2 0 2 2年2月