王莊礦大采高綜放開采地表沉陷規律研究

1采礦誘導質型地質深度分析研究采礦后，礦區原有的三向應力狀態發生變化，上層巖石失去了支撐力，變形、破裂并移動。這種運動可以延伸到表面，最終導致表面沉降。可以說,地下采動過程誘發的上覆巖層破壞及沉陷是個嚴重的災害性力學過程,表現出強烈的非連續性和非線性,是個復雜的時空過程。國內外學者提出了很多地表沉陷預計模型,如基于連續介質力學方法、基于經驗的剖面函數法和典型曲線法、基于隨機介質理論的概率積分法、影響函數法等。近年來,我國學者針對一些與實際情況不符的沉陷預計方法作了許多改進,相繼提出了基于傾角變化的采空區矢量法和概率密度函數法等。郭增長等對不同開采方法所造成的覆巖及地表移動進行了對比分析,探討了我國巖移控制技術及未來的發展趨勢。張華興和焦傳武提出了基于概率積分法的線積分運算方法,該方法一定程度上提高了計算精度,并在計算任意形狀工作面的開采沉陷預計時顯示出其優越性。鄧喀中和馬偉民討論了開采沉陷的結構效應。崔希民和陳至達研究了主斷面的地表移動與變形過程的實時位移,并應用流變模型來預計沉陷。于廣明等考慮了初始節理對采動覆巖斷裂的影響,建立了初始節理端部附近的最大切向應力計算表達式和初始節理開裂的力學條件,為確定巖體內部沉陷范圍提供了依據。近年來由于計算機及圖形學的發展,李新強等在動態數值仿真及開采沉陷可視化模型方面做了很多研究。可以說,這些預計模型在一定條件下解決了實際問題,但是人們逐漸發現,試圖建立采場礦山壓力、覆巖移動與破壞、地表沉陷的統一動力學理論模型及定量分析極為困難,且由于各礦山地質條件差異,要獲得適合各種地質條件的沉陷解析解極為困難。因此采取現場監測及數值計算對采礦誘發地表沉陷進行研究是較為常用的方法。就數值計算方面而言,大多采用有限元法(如ANSYS,ABAQUS)、快速拉格朗日計算(如FLAC)和離散元(如UDEC)等目前常用的一些數值方法,但這些方法在模擬連續介質力學或者小變形等是實用有效的,對于采礦誘發地表的大面積沉陷、大變形分析還存在一定困難。筆者通過現場近20個月的沉陷監測獲得了采動誘發的地表沉陷的第一手資料,并根據工程地質條件建立簡化數值模型,通過數值計算方法來計算分析,然后對比現場監測數據及計算分析結果,比較它們的差異,特別是采用不連續變形分析方法對回采工作面過多斷層的沉陷特性進行了模擬分析,找出了關鍵的影響因素,有效地指導了王莊礦過多斷層工作面的回采工作,這也為王莊其他相似開采及地質條件的區域分析起到借鑒作用。2典型工作面地質背景分析王莊煤礦位于山西省長治市郊區故縣,距市中心30km,北距太原市230km,南距焦作市220km。該礦主井位置:經距38413469.39,緯距4027078.64,井底層位為太原組,目前年核定安全生產能力達7.1×106t以上。針對該礦的工程地質背景和目前的技術難題,選擇該礦3#煤層某典型工作面為監測和數值模擬對象。該工作面地質構造中等復雜,面內發育4條正斷層。該工作面走向長1864~1896m(平均1880m),傾斜長140~240m(平均180m),面積約為2.892×105m2。煤層結構較復雜,含夾矸5層,上部含夾矸2層,下部含增值矸3層,如:0.25(0.05)0.20(0.14)3.7(0.05)0.43(0.13)0.80(0.03)0.72(括號內的數字為夾矸厚度,且單位均為m),煤層傾角1°~8°,平均4.5°。3#煤層的直接頂為泥巖,老頂為細砂巖;直接底為泥巖,老底為砂巖等。地面標高為928~931m,工作面標高599.6~607.0m,平均采深316m,采煤方法采用綜采放頂煤一次采全厚,平均推進速度為7m/d,全陷法管理頂板。3地表沉陷觀測及“三帶”高度實測資料王莊礦還缺乏綜放一次采全厚6m左右類似條件下地表沉陷觀測及“三帶”(冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶)高度實測資料,為了更好地實現王莊煤礦安全高效開采,對王莊礦某綜放工作面進行地表沉陷和“三帶”高度現場觀測。3.1地表移動觀測系統為了對厚煤層綜放開采條件下地表沉陷規律開展研究,在王莊礦某工作面設置了地表沉陷觀測站,包括一條走向觀測線和一條傾向觀測線,測線總長約1650m,觀測站共設觀測點60個,歷時20個月,取得了比較完整的綜采放頂煤條件下地表移動觀測數據。工作面的開采情況見表1。3.2地表移動變形值根據現場觀測站實測資料,工作面開采后地表下沉值達到2858~4815mm;地表傾斜值達到28.1~53.1mm/m,地表下沉盆地較為陡峭。最大水平移動值達1611mm,最大正曲率達0.72×10-3m,最大負曲率達-1.38×10-3m,最大水平變形值達21.2mm/m,最大水平壓縮變形值達-34.8mm/m。繪制該工作面傾向觀測線和走向觀測線的地表移動變形實測曲線,如圖1所示。從圖1看出,該工作面地表移動變形值可用我國常用的典型曲線法、負指數函數法、概率積分法等進行預測。與我國典型地表沉陷觀測站峰峰礦區的實測下沉相比較說明:大采高綜采放頂煤條件下的地表下沉盆地發育形態總體符合一般地表沉陷規律,但綜放條件下的下沉典型曲線與一般開采條件下的下沉典型曲線稍有差別,具體表現在曲線中部稍平緩,整個曲線靠近煤柱一側,并且綜采放頂煤條件下地表的移動變形值較大,比一般開采要大,其中地表變形值遠超過“三下”采煤規程中給出的建筑物產生IV級破壞的地表變形值。分別求出該工作面綜放條件下的巖層移動邊界角、移動角、裂縫角、地表下沉系數,水平移動系數和概率積分預計方法特定參數,并與幾個典型礦區巖移參數比較(見表2)。由表2看出,與一般開采條件相比,王莊礦綜放開采的下沉系數為0.84,而一般開采條件下的下沉系數為0.55~0.84,平均為0.70,典型峰峰礦區的下沉系數為0.78。王莊綜放開采的主要影響角正切約為2.70,而一般采動條件下的主要影響角正切為1.92~2.40,平均為2.16,典型峰峰礦區的影響角正切為2.09。可見,綜采放頂煤與一般開采相比,下沉系數、主要影響角正切都明顯偏大。在綜采放頂煤條件下巖層移動的走向邊界角達63°,上下山邊界角達63°~64°。根據規程,在中硬覆巖條件下,走向方向、上山方向的邊界角一般為55°~60°。可見,綜采放頂煤與一般開采相比,巖層移動的邊界角偏大,移動盆地陡峭,移動變形更為集中。4工作面冒落帶和裂隙帶高度發育為了探測厚煤層綜放開采采空區的“三帶”高度,在采空區上方打鉆孔觀測,3個觀測孔k1,k2,k3孔口標高均約為927m,距離開切眼相應距離分別為445,484,540m,鉆孔處相應煤層底板標高分別為+624.2,+622.8,+624.2m,相應位置煤層頂板采深為295.9,297.3,295.9m,鉆孔位置如圖2所示。k1鉆孔因為套管變形,孔深未鉆到位,該鉆孔觀測表明:煤層有效采厚5.9m,導水裂縫帶高度為114.67m,裂高采厚比(開采深度與開采厚度之比)為19.44;未探測到冒落帶。k2鉆孔觀測表明:煤層有效采厚5.2m,導水裂縫帶高度為102.27m,裂高采厚比為19.67;冒落帶高度為19.35m,冒高采厚比為3.72。k3鉆孔觀測表明:煤層有效采厚5.7m,導水裂縫帶高度為114.87m,裂高采厚比為20.15;冒落帶高度為35.70m,冒高采厚比為6.26。基于鉆孔觀測數據筆者繪制了工作面冒落帶和裂隙帶高度發育形態示意圖(見圖2)。圖2顯示:當工作面推過鉆孔距離較大時,采空區猶如簡支梁,中部巖層承受的彎矩最大,因此中間的巖層最容易冒落,并且工作面中間冒落巖層隨后會逐漸被壓實,冒高偏小,計算中間冒高采厚比約為3.72;而邊界冒落巖層由于承受的彎矩最小,并且由于煤壁的支撐作用不容易壓實,其冒高偏大,中間冒高采厚比為6.26。與我國煤礦一般開采條件下的冒高采厚比一般為2~3相比,大采高綜放開采的礦山壓力更明顯,冒高采厚比明顯偏大。而裂隙帶發育與冒落帶相比也有相似的規律,即中間低兩邊高,類似于“馬鞍型”,與國內在水體下采煤“兩帶”觀測中所取得的導水裂縫帶發育的最大高度與煤層初次采厚成正比的規律是相似的。綜上已知:3個觀察孔k1,k2和k3所處煤層的有效厚度分別為5.9,5.2和5.7m,而所觀測的導水裂縫帶高度分別為114.67,102.27和114.87m。其所觀測到的裂高采厚比為19.44~20.15,由于這3個孔之間相互隔了40或60m,因此可以認為裂高采厚比大致相同的,且導水裂縫帶高度H裂和煤層初次采厚H煤幾乎呈正比關系,比例系數約為20。由于考慮到3個孔的間距及煤層厚度變化,再結合現場采空區的觀測情況來看,筆者認為該比例系數是統計有效的,因此可近似采用下列經驗公式來判斷王莊煤礦裂隙帶的高度:地表沉陷觀察表明,隨著厚煤層的逐漸回采,地表局部地方逐漸產生地表裂縫,這是由于地下采動引起的地表產生不均勻沉降和水平變形所致,也是不可避免的。但是否會出現裂縫以及裂縫的發育形態如何主要取決于該區域巖層和表土層的性質。現場觀察表面地表裂縫通常有2種:一種是隨著工作面不斷向前推進,在工作面前方動態拉伸區不斷出現的動態條形裂縫;另一種是在采區邊界附近下沉盆地邊緣發生的裂縫,該類裂縫位置通常比較固定,采用誘發地表裂紋形成機制示意圖如圖3所示。對于王莊大采高綜采放頂煤工作面,在推進過程中位于工作面前方的地表每隔5~9m就出現一條和工作面回采線大致平行的弧狀條形裂縫,裂縫寬度一般為10~40mm。裂縫從開裂到發育成熟一般需20d左右,之后再經過60d左右裂縫閉合消失或殘留裂口、裂痕,塌陷臺階處,臺階不能完全消失。在工作面開采邊界的外側,出現寬度大于100mm的永久性地表裂縫,其中在下山方向較為發育,出現了明顯的裂縫帶。這些裂縫一般不會自然消失,大多數裂縫伴隨有臺階落差。可以看出,大采高綜放頂煤開采與一般開采相比,地表沉陷變形值更大,地表的裂縫與破壞比較嚴重。5覆巖移動、地表沉陷及“三帶”分布模擬為了近似獲得采空區巖石的冒落及裂隙發育情況,本文采用非連續變形分析(discontinuousdeformationanalysis,DDA)來模擬該工作面的覆巖移動、地表沉陷及“三帶”分布情況。5.1上覆地層模型由于該工作面走向長為1880m,平均埋深約316m,筆者選取具有代表性的局部區域進行模擬,根據地質資料將實際開采情況簡化為沿巷道走向的二維平面應變塊體模型,模型尺寸長1000m,高200m。模型底部和側面采用固定約束。為模擬上覆巖層自重作用,模型頂面116m巖層及表土層可近似為均布載荷作用,上覆巖層的近似平均密度取ρ=2.6×103kg/m3,即式中:H為模型頂面距地表的深度(m)。典型巖層的物理力學參數取自王莊礦的地質報告及鉆孔資料,如表3所示。為了模擬采動影響下上覆巖層的移動破壞及地表沉陷規律,本文選取了一個有特點的區域作為計算模型,包含了4條正斷層,如圖4和表4所示。5.2f65-400斷層下半圓形應力場根據現場工作面綜放進度制定了模擬方案,通過DDA獲得了大采高綜放開采過程中上覆巖層的變形移動規律和應力分布,如圖5,6所示。初始地質模型主要受到3.02MPa應力及各巖層自重影響,由于巖層平均傾角約4.5°,因此模型內應力場仍然以垂直和水平應力為主,分布較均勻;但在斷層處,主應力方向稍微發生變化,并在其附近形成應力集中區,如圖5(a)和6(a)所示。當工作面回采120m時,由于采空區的出現,采空區上覆巖層將卸壓,回采煤層先前承受的載荷轉移到采空區上覆巖層及未回采的前后煤壁,直接頂起到“關鍵層”的作用,如同載荷作用在直接頂這個“簡支梁”上。此時應力場為一較小半橢圓形應力場,類似于“松動圈”。值得注意的是,在開采前方斷層附近出現較大應力集中區。由于此時采空區范圍較小,在采空區厚度1~2倍范圍有跨落或離層現象,但沉陷并沒有波及到地表,如圖5(b)和6(b)所示。當回采穿過F264斷層,達到168m時,計算顯示斷層附近積聚的集中應力有部分得到釋放,并且斷層附近局部區域跨落明顯。上覆巖層已開始跨落,并出現離層現象,如圖5(c)所示。由于此時開采剛過斷層,此時F264斷層附近積聚的應力會轉移,在前方斷層出現更大的應力集中。由于受斷層影響,采空區附近巖層強度不高,造成工作面前方易出現應力軟化區。半橢圓形應力場在水平和垂直方向隨著回采的推進也均勻擴展,而離層現象主要受到垂直方向應力的影響,但由于剛過斷層不遠,離層范圍并不大,大致在采空區厚度的2~3倍的范圍。由于采空區加大,且受到斷層影響,地表開始發生局部沉陷,局部沉陷主要發生在F265斷層下盤露頭處,如圖5(c)所示。當工作面向前推進到408m時,回采通過了F264斷層,斷層附近大量積聚的能量在這個階段會突然釋放,由此引發巖層劇烈跨落,甚至造成沖擊地壓。在模擬中發現,在回采通過斷層后,由于該區域的巖石強度低,造成大量巖層突然冒落,這些冒落巖層對底板造成了很大的沖擊反彈現象,沖擊波對前方回采的巖石產生了反復拉伸和壓縮作用。因此在這一階段,應提前防范,提高液壓支撐工作壓力,加大支護強度,以免沖擊地壓發生。在上覆巖層跨落的過程中,停止作業,避免沖擊作用下開采前面壓縮的巖石突然反彈。此時由于采空區上方大量巖石已冒落,大部分區域已卸壓,半橢圓形的應力場也在擴大。采空區卸載的壓力逐漸轉移到前方的F263和F259斷層。但是F263和F259斷層的交叉處,應力集中現象明顯加大,如圖5(d)和6(d)所示。此時采空區面積加大,導致地表沉陷較嚴重,此時地表沉陷主要發生在F264和F265斷層露頭的中間,且沉陷區呈類似拋物線的形狀分布。當工作面回采到552m時,迎頭工作面應力集中很明顯,這是前方F259斷層所致,由于F259與F263斷層很近,所以兩斷層交匯處應力集中明顯。因此,在靠近斷層時,需要提高液壓支撐壓力,防止發生沖擊地壓。由于此時采空區很大,并且主要采空區位于F259和F264斷層之間,且呈八字排布,導致采空區塌陷區域較大。但傳播到地表時,由于F264斷層的影響,在地表沉陷處并不是規則的拋物線,如果以F264斷層來區分,可近似認為在F259與F264斷層、F264和F265斷層之間的上部,分別呈拋物線分布。兩拋物線疊加后,在F264斷層上方,反而有局部區域隆起,如圖5(e)和6(e)所示。當工作面推進到624m時,在F263和F259斷層交匯處形成的高應力集中區也得到釋放。F259斷層落差較大,局部區域達5.5m,造成F259斷層附近的巖層塌落嚴重,并且誘發嚴重的地表沉陷。此時半橢圓形應力場隨著回采的推進,在水平方向繼續擴大,但垂直方向基本上不變,如圖5(f)和6(f)所示。這也表明此時發生沖擊地壓的可能性不大,但塌陷卻是嚴重的。此時的半橢圓形應力場在垂直方向擴展已達最大。因此在工作面回采通過該區域時,要防止大面積巖層的冒落,提前做好防范準備。或者為安全考慮,建議通過該區域要考慮工作面“搬家”。圖6清楚顯示,隨著回采的推進,采空區的上方逐漸卸壓,此時多數巖層的水平應力大于垂直應力,甚至有些巖層的垂直應力就沒有了。當然在現場實際情況中,采空區由于上覆巖層的跨落,會對上覆巖層中部分巖塊卸壓,但不至于完全卸壓。這主要還是DDA計算的問題,因為DDA在循環迭代計算過程中一旦巖塊受拉時,這個巖塊的受力就為0。斷層對沉陷的影響很大,圖6(c)~(e)清晰顯示,在回采剛通過斷層時,斷層附近的應力場就出現較大變化,橢圓形應力場不是直接隨著回采而擴大,在斷層附近應力升高,積聚了大量的能量。隨著回采的推進,斷層附近積聚的能量釋放,橢圓形應力場又隨著開采的推進而繼續擴展,變化趨于穩定。而這些積聚能的大面積釋放,有可能導致地表發生大面積塌陷。5.3dda分散煤巖體沉降數值模擬通過DDA獲得了隨著回采的推進,地表發生沉陷的大致位置及沉降量,如圖7所示。從圖中可以看出,隨著回采的推進,地表沉降量在逐漸增大,并且范圍也在擴大。當達到充分回采時,最大沉降量約為4.5m,相比實測最大沉降4.902m,模擬值偏小。其主要原因可能有:數值模型中只考慮了4條斷層影響,沒有考慮其他小斷層和小構造的影響;每一層巖石和煤層的性質近似設置為相同屬性,而這在實際當中這些巖層和煤層屬性還是有所區別的;塊體的劃分是根據現場調查的周期性跨落步距而均勻設置的,而實際上當碰到破碎巖體、斷層及小構造時,跨落步距會偏小,這使得實際上煤巖體的跨落會更容易。但DDA相比實際測試有個好處就是能夠模擬出不同回采距離誘發的地表沉陷,并且是個連續量。而現場監測的結果卻受到測點布置的影響,特別是回采初期,沉降范圍不大時,并且當測點沒有布置在沉陷位置時,就測試不出沉降量;只有達到充分回采時,沉降范圍擴大,此時沉降測試的結果才有意義。5.4地表沉陷區的識別數值模擬中一個重要的好處就是可以針對要研究的問題而改變模型。筆者對相同條件下無斷層的模型也做了分析,發現有無斷層的地表沉陷模式有很大差異。數值計算表明,無斷層采空區上方地表沉陷區遠小于有斷層的地表沉陷區。無斷層采空區上方地表沉陷區相比采空區是逐漸收縮的,而有斷層采空區上方地表沉陷的范圍相比采空區基本是同步的,即采空區多大,沉陷區也大致有多大的范圍,如圖8(a)中2條線范圍所示。對于有無斷層采空區上覆巖層上方形成一個半橢圓形的應力場,盡管靠近采空區上方巖層卸壓很大,但遠離采空區上方的覆巖的壓力并沒有減輕,這是由于地表的巖層塌陷又造成了應力的累積,如圖8(a)所示。而對于有斷層采空區上覆巖層,由于斷層的存在,導致這4條斷層內部都卸壓,并且卸載的壓力轉移到工作面前方去了,這導致在4條斷層之間的上覆巖層應力很小,而地表沉降范圍卻很大,如圖8(b)所示。6采動影響下覆巖移動及地表沉降規律通過現場監測及DDA研究了大采高綜放工作面覆巖移動及地表沉陷規律,主要結論如下:(1)現場監測表明,