硬厚岩浆岩下采动地表沉陷规律研究

柴文彦

（阳煤集团安泽登茂通煤业有限公司，山西 临汾 043500）

工作面的推进会引起煤层上覆岩层的弯曲、下沉、破断，且随着工作面的推进不断向上发育。当发育到硬厚岩浆岩时，由于硬厚岩浆岩短悬跨距离内变形量极小且不会发生破断，引起岩层移动的暂时性屏蔽。由于岩浆岩的屏蔽作用，会导致地表移动的改变。硬厚岩层破断后极易诱发工作面发生冲击地压、矿震、支架压架、地表斑裂等动力灾害[1-4]。为了充分了解硬厚岩浆岩作为主关键层对地表沉陷的影响，本文对硬厚岩浆岩引起的地表移动进行数值模拟，以期从模拟结果中得出硬厚岩浆岩赋存时地表移动的规律，为煤矿生产提供一定的指导意义。

1 工程实例

安泽登茂通煤业为煤层群开采，故采用分组联合，双翼上山方式布置采区，分组下行式开采。前组采区开采4、6层煤，后组采区开采11、13、15、16层煤。采区走向长度为1100～1500m，阶段垂高80～100m，工作面斜长140～160m。区域内可采煤层有6层，其中第4、6、11、16煤层为稳定煤层，第13、15煤层为较稳定煤层。目前主要开采4、6煤层。从上部已开采的4煤工作面附近钻孔看，4层煤在本区为一结构较为简单的厚煤层，厚度在5.5～6.9m，平均6.2m，变异系数22%。4煤层厚度大，煤层结构简单，为全区大部可采的稳定煤层。根据井下实际观测及煤样实验结果，4煤层节理、裂隙较发育，表现为煤体单轴抗拉强度与单轴抗压强度之比较小（约为0.05），一般情况下煤岩体的单轴抗拉强度与单轴抗压强度之比为0.125，有利于顶煤在支承压力及弯曲旋转作用下产生破坏，有利于放顶煤开采。4煤层顶板一般为细砂岩或粉砂岩，厚0.38～20.70m，底板一般为粉砂岩或细砂岩，厚 0.60～26.75m，下距 6煤层 37.30～43.31m，平均39.32m。

第6煤层煤厚0.80～1.25m，平均1.13m，变异系数10%。煤层结构简单，不含夹矸，6煤层为全区大部可采、结构简单的稳定煤层，煤层赋存标高-700～ -1700m。6煤层顶板一般为粉砂岩或细砂岩，厚1.60～4.35m，平均3.25m；底板一般为粉砂岩或细砂岩，厚1.90～14.85m，平均10.99m；下距一灰13.60～14.85m，平均14.02m；下距第11煤层96.47～102.31m，平均100.36m，间距稳定。华丰矿煤层覆岩中古近系砾岩层厚度大（400～800m），岩层坚硬，整体性好，而且表土层薄（0～8m）。

2 数值模型建立及观测方案

2.1 数值模型建立

模型设定为水平煤层，模型煤层埋深624m，煤层开采厚度为6m，开采煤层距离硬厚岩浆岩80m，硬厚岩浆岩的厚度为60m，模型长度1600m，高度为660m，建立模型如图1所示。

图1 数值分析力学模型示意图

模型选用的登茂通矿煤岩体力学参数，所选用的煤岩体力学参数如表1所示。

表1 主要岩石力学参数

模型的数值计算采用莫尔-库仑准则的围岩本构关系，应力-位移混合边界，模型上边界采用自由边界条件，模型上表面为地表表土层，如图1表示；模型的下边界、左边界、右边界采用零位移边界条件，具体约束如下。

（1）模型的左右边界为水平位移约束边界，取Ux=0，Vx=0 (即水平方向的位移和速度矢量均为0)。

（2）模型的下边界采用全约束边界，在竖直和水平方向上均固定，即Vy=0，Ux=0，Vx=0。

（3）模型的上边界采用自由边界，计算模型上边界的覆岩为地表表土层。

3 硬厚岩浆岩下采动地表下沉量研究

将工作面不同推进距离内，硬厚岩浆岩的下沉曲线绘于图2。由图2可以看出，硬厚岩浆岩在破断前（工作面推进到260m以前），硬厚岩浆岩下沉量较小，硬厚岩浆岩的下沉曲线基本对称，而且随着工作面的推进岩浆岩的下沉量不断增大，硬厚岩浆岩最大下沉点随工作面的推进不断向前向下移动。由于岩浆岩厚度大（60m），强度高，短推进距离内不发生破断，导致当工作面推进到200m时，岩浆岩最大下沉量仅为0.358m。工作面继续推进到240m，岩浆岩最大下沉量仅为0.512m，工作面推进了40m，岩浆岩的最大下沉量仅增加0.154m，如图2（a）所示。工作面继续向前推进到250m，岩浆岩的最大下沉量达0.885m，工作面推进了10m，岩浆岩下沉量增加了0.373m，岩浆岩下沉量增幅开始加大。当工作面继续向前推进到260m时，岩浆岩的最大下沉量急剧增加到4.159m，如图2（b）所示，岩浆岩发生破断。由图2（c）及图2（b）可以看出，岩浆岩破断后，随着岩浆岩下部岩层空隙被压实，岩浆岩下沉量缓慢增加，当工作面推进到320m时，岩浆岩的最大下沉量达到4.754m，此时岩浆岩的下沉量达到最大。

图2 不同推进距离的岩浆岩下沉量

由以上分析可以得到，由于岩浆岩具有厚度大、岩层坚硬、整体性好的特点，岩浆岩破断前只发生弯曲下沉，下沉量极小。巨厚岩浆岩破断时其下沉量具有突变性，在短的推进距离内从几十厘米上升为几米，变化幅度巨大。硬厚岩浆岩破断后，由于岩浆岩下部岩层空隙的压实，岩浆岩缓慢下沉，直至稳定。本模型岩浆岩的变化可分为弯曲下沉（工作面推进到250m以前）、断裂下沉（工作面推进到250～260m期间）和压实下沉（工作面推进到260～600m期间）三个阶段。

4 结论

地表的下沉量与下沉速度在岩浆岩未破断时其值较小，当岩浆岩破断时，地表下沉量出现跳跃式增加。岩浆岩作为主关键层控制着地表下沉量与变化，即岩浆岩对地表动态下沉起关键控制作用。