典型巨厚砂泥岩互层条件下深部近水平开采地表沉陷演化规律

孙 杰,孙鸿昌,郝 喆,越 智,张耀君

(1.辽宁大学 环境学院,辽宁 沈阳 110036; 2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司,辽宁 抚顺 113122;3.内蒙古仲泰测绘技术有限公司,内蒙古 鄂尔多斯 017000)

在我国煤炭资源仍处于能源消费中的主要地位,并且在未来较长时间内这种能源结构仍会持续[1]。煤层开采过程中,煤层顶底板所受应力超过其强度极限,导致煤层顶底板发生移动变形、弯曲、断裂、垮落等现象,上覆岩层受该现象影响发生移动变形,这种移动变形逐渐波及地表,最终导致地表沉陷,形成沉陷盆地。煤矿开采引发的地表沉陷问题是矿区环境破坏的源头,不仅会破坏井田周围的环境,也对周边人民的生命安全和经济发展产生严重影响[2]。随着煤炭需求的增加,煤矿越来越多地转向深部开采,而深部开采导致煤层岩体力学性质发生改变,地表沉陷呈现出与浅部开采不同的时空演化规律[3]。受到深部开采的高集中应力、高地应力及高岩溶水压等情况的影响,深部采动的岩体具有复杂的非线性力学行为[4-6]。在深部开采的工况下,地表沉陷受到覆岩层特性的影响更为明显,一般来讲,矿层埋深越大,岩层形变扩展到地表所需的时间愈长,地表形变愈小,且较为平缓,而地表沉陷盆地的范围增大,若对于厚度大的坚硬岩层,深部开采甚至长期不产生地表变形,而对于强度较低的岩层,则可能产生较大的地表变形。东胜煤田是中国已探明的最大煤田,位于中国最大聚煤盆地鄂尔多斯盆地腹地。红庆河煤矿属于鄂尔多斯盆地东胜煤田红庆河井田,砂岩和泥岩为本区煤层赋存的主要围岩种类,探讨典型巨厚砂泥岩互层条件下深部近水平开采地表沉陷演化规律,具有重要的现实意义。

David R.Cope[7]对深部开采实测数据进行研究,认为深部采动引起的地表移动和变形是连续的、缓慢的且周期性较长;Wang等[8]将地表沉陷与覆岩移动作为整体来分析,发现覆岩裂缝拱的发展与地表沉陷速率具有较大相关性,且实验数据表明地表移动存在增速段、高速运动段、减速运动段;Li等[9]发现在软岩下深部开采,地表沉陷的影响范围随着工作面的推进而不断扩大,在距采空区800 m处地表水平移动的增长速度比地表沉陷的增长速度要快;张国建[10]使用模型试验及数值模拟的方法,通过研究巨厚弱胶结覆岩下的深部开采,明确了深部开采下地表沉陷偏小的影响因素;彭林军等[11]将数值模拟和结构力学模型的结果进行对比,研究盆地水平煤层深部采动下的地表沉陷;翁丽媛[12]以古城煤矿深部条带开采为例,研究了深部条带开采下的覆岩与地表沉陷规律。

综上,国内外在深部开采导致地表沉陷及覆岩移动方面开展了较深入的研究,获取了某些地层条件下的地表沉陷变化规律。但对于专门针对深部巨厚砂泥岩互层条件下近水平开采地表沉陷研究尚未见开展。为此,本文以红庆河煤矿3-1501大采高综采工作面为例,研究典型巨厚砂泥岩互层条件下深部近水平开采地表沉陷演化规律,为典型巨厚砂泥岩互层区域的煤炭开采地表沉陷分析和预测提供依据。

1 研究区域

红庆河煤矿处于内蒙古自治区伊金霍洛旗境内,该区域上覆岩层为泥岩、砂质泥岩和砂岩等,其中以浅灰、灰绿、棕红、灰紫色泥岩及砂岩为主,砂泥岩岩层厚度达700 m以上,具有典型巨厚砂泥岩互层的特性。区域地层分布见表1。

表1 红庆河煤矿区域地层Tab.1 Strata in Hongqinghe Coal Mine area

红庆河煤矿设计生产能力800万 t/a,目前主采3-1煤层。作为3-1煤层五采区的首采工作面,3-1501工作面对应的地表区域呈东北高、西南低的地形特征,其走向长度为3 500 m,倾向长度为300 m,平均采深为798 m;开采方式为综合机械化开采,煤层厚度最大为7.5 m,最小为6.1 m,平均开采厚度为6.75 m,煤层倾角1°左右,具有巨厚砂泥岩互层条件下深部近水平开采的特征。

2 模型建立

2.1 煤岩参数确定

岩层层位根据红庆河煤矿的煤层和顶底板情况以及综合地质柱状图确定,鉴于真实地层较为复杂,且含有大量夹层,故对真实地层作适当简化[13]。模型整体从上至下依次为表土层、灰紫色泥岩、砂质泥岩、紫红色泥岩、砂质泥岩、粗粒砂岩、细粒砂岩、煤层、砂质泥岩、细粒砂岩、粉砂岩、砂质泥岩。统计表明,工作面上覆岩层中的砂岩和泥岩岩层厚度达到780 m以上。数值模拟模型岩层分布情况及相关物理力学参数见表2。

表2 岩层分布及物理力学参数Tab.2 Rock distribution and physical and mechanical parameters

2.2 模拟区域确定及建模

根据实际工作面条件,煤层平均采厚为6.75 m,平均采深为798 m,采区工作面倾向长度为300 m,走向长度为3 500 m。依据表2的岩层划分结果,采用FLAC3D建模,选取Mohr-Coulomb本构模型。确定模拟区域向采区边界延伸200 m,建立模型尺寸3 900 m×700 m×998 m,倾向工作面沿y向布置,沿x向推进开采。模型共347 718个节点,232 171个单元,煤层和地表层已进行网格加密处理,计算模型如图1所示。

图1 数值模型Fig.1 Numerical model

边界条件约束如下:①模型左右边界施加水平约束,边界水平位移为0;②模型底部边界水平、垂直初始位移均为0;③模型顶部为自由边界。

3 地表沉陷规律分析

3.1 地表沉陷盆地特征

初始地应力平衡位移等势如图2所示。将初始位移清零后,对模型进行开挖处理,开采结束后的地表沉陷及岩移形态如图3所示。由图3可知,当开采活动结束后,地表呈现沉陷盆地走势,其影响范围波及整个采空区上方;从走向来看,呈现出采空区左右两侧沉陷小,中间沉陷大的现象,最大地表下沉量出现在采空区中心位置,最大沉陷量61.01 cm,最小沉陷量为24.24 cm;从倾向来看,呈现出采空区前后两侧沉陷小,中间沉陷大的现象,整体关于采空区呈现对称状态。

图2 初始地应力平衡位移等势图Fig.2 Initial in-situ stress equilibrium displacement equipotential

图3 开采结束后地表沉陷Fig.3 Surface subsidence after mining

3.2 地表沉陷演化规律

选取模型走向地表中心线为沉陷量监测线,分别将不同工作面推进距离下的地表沉陷量绘制成地表沉陷曲线,得到的走向地表垂直位移曲线如图4所示;根据煤层开采引起的超前影响现象,计算出不同工作面推进距离下的超前影响距和超前影响角,如图5所示。

图4 走向地表垂直位移曲线Fig.4 Vertical displacement curve toward the surface

图5 走向超前影响距及超前影响角Fig.5 Leading influence distance and leading influence angle

由图4、图5可知,工作面推进350 m时,地表沉陷量很小,仅为10.61 cm,地表下沉现象并不显著,但此时已产生超前影响现象,超前影响距为665 m,超前影响角为50.19°;当开采活动推进至700 m时,地表开始呈现盆地走势,此时地表最大下沉量为22.46 cm,超前影响距为687 m,超前影响角为49.24°,地表最大下沉量明显增加,说明在该段工作面推进时,对地表沉陷现象产生较大影响;工作面推进700～3 150 m时,地表最大沉陷量逐渐增大,超前影响角逐渐增大,而超前影响距逐渐减小,开采活动对地表沉陷的超前影响现象逐步减弱;当开采结束后,地表沉降量最大,为61.01 cm。

为进一步验证地表沉陷模拟结果的可靠性,现场采用UAV激光雷达进行了沉陷观测并绘制等值线如图6所示。可见,现场实测地表最大沉陷量为64.00 cm,而数值模拟的地表最大沉陷量为61.01 cm,与实测值误差为4.90%,满足精度要求。

图6 现场实测下沉等值线Fig.6 Subsidence contour was measured on site

为了得到工作面推进距离与走向地表沉陷量的准确关系,将不同推进距离时的走向地表沉陷量进行拟合处理,得到的拟合曲线如图7所示。

图7 地表沉陷量与工作面推进距离拟合曲线Fig.7 Fitting curve of surface subsidence and advancing distance of working face

经过拟合处理,得到走向地表沉陷量与工作面推进距离的函数关系式为:

y=-6.369 8×10-6x2+4.019 0×10-2x-2.460 0

(1)

式中,y为走向地表最大沉陷量;x为工作面推进距离。

上述拟合结果显示,拟合曲线的R2达到0.999以上,具有很高的置信度,因此根据上式可对走向地表沉陷量进行预测,可为深部开采下地表沉陷相关问题的分析提供可靠依据。

3.3 地表沉陷变化量规律

绘制的地表沉陷变化量及每开采100 m地表沉陷量的柱状图如图8所示,图8中沉陷变化量为开采间距350 m下的走向地表沉陷变化量。

图8 走向地表沉陷变化量及开采每百米沉降量Fig.8 Change in strike surface subsidence and mining subsidence per 100 meters

由图8可知,工作面推进0～700 m时,地表沉陷变化量增大。工作面推进350 m较未开采时地表沉陷量增加了10.61 cm,在0～350 m内,工作面每开采100 m地表沉陷量增加3.03 cm;工作面推进700 m较350 m时,地表沉陷量增加了11.85 cm,在350～700 m内,工作面每开采100 m地表沉陷量增加3.39 cm,说明在此阶段内,工作面向前推进会加剧对走向地表沉陷的影响。而在工作面推进700～2 800 m时,地表沉陷变化量逐渐减小,工作面每开采100 m的地表沉陷量也逐渐减小,说明在此阶段内,开采活动的进行对地表沉陷的影响逐步减弱。在工作面推进3 100 m较2 800 m时及工作面推进3 500 m较3 100 m时,地表沉陷量仅分别增加了0.84、0.67 cm,而在工作面推进2 800～3 150 m以及3 150～3 500 m内,每开采100 m地表沉陷量分别仅为0.24、0.19 cm,可知此时开采活动对走向地表沉陷的影响很小。

可知,当工作面推进700 m时,地表沉陷变化量持续增加,在700 m处达到最大值,继续向前推进直至开采活动结束,沉降变化量不断减小。这是由于在最初开采时,原本已处于应力平衡状态的地层由于开采扰动发生了较大的应力变化,而开采一段距离后,岩层依靠自身结构的稳定性,使应力重新分布并使岩层运动趋于平缓,在工作面推进700 ～3 500 m时,地表沉陷变化量不断减小。当工作面推进至2 800 m后,即工作面推进距离达到3.51倍煤层埋深后,地表沉陷变化量很小,每开采1 m仅变化0.002 cm,说明工作面接近甚至已达充分采动状态,下沉系数为0.09,其下沉系数较浅部开采更小,随后继续开采,地表沉陷现象不明显甚至不再发生沉陷。煤层浅部通常工作面推进距离达到1.2～1.4倍埋深后即可达到充分采动状态,而深部巨厚砂泥岩下大采高综采工况下达到充分采动时的工作面推进距离与煤层埋深比值更大。

4 岩层移动规律分析

4.1 顶板及底板位移变化特征

开采活动会打破原有岩层应力的平衡状态,造成顶板和底板的位移,使得顶板下沉量不断加大,底板不断隆起,这一现象会不断向上发育,当这一运动传递到地表附近时,就会引起地表沉陷,因此研究直接顶和直接底的移动规律可以更加直观有效地表现出地表沉陷的过程。直接顶和直接底的垂直位移曲线如图9所示。

图9 工作面直接顶、直接底垂直位移曲线Fig.9 Vertical displacement curve of direct roof and direct bottom of working face

由图9可知,从开采活动开始到开采结束,煤层顶板不断向采空区方向发生弯曲下沉运动,煤层采空区附近的底板不断向上隆起,当工作面推进350 m时,顶板最大沉陷量为60.34 cm,底板隆起量最大值为21.88 cm;当工作面推进700 m时,顶板弯曲现象发育至更上层,最大沉陷量为86.80 cm,较上一阶段变化量为26.46 cm,底板最大隆起量为25.12 cm,变化量为3.24 cm;当工作面推进1 050 m时,顶板最大沉陷量为108.21 cm,变化幅度为21.41 cm,底板最大隆起量为25.24 cm,底板位移变化量很小,仅增加了0.12 cm;当工作面推进1 400 m时,顶板最大沉陷量为124.86 cm,变化幅度为16.65 cm,底板最大隆起量为25.39 cm,较上一阶段仅增加了0.15 cm,说明底板隆起量基本不再增加,只随工作面的推进而沿开采方向发育;当工作面推进1 750、2 100、2 450、2 800、3 150、3 500 m时,顶板最大沉陷量分别为137.38、145.09、149.68、156.55、159.06、164.21 cm,沉陷变化量分别为12.52、7.71、4.59、6.87、2.51、5.15 cm,底板隆起量分别为25.55、25.99、26.17、26.27、26.42、26.64 cm,变化量分别为0.16、0.44、0.18、0.1、0.15、0.22 cm。

由此可知,在整个开采活动推进的过程中,顶板沉陷量与底板隆起量不断增大,当开采活动结束后达到最大值。工作面推进距离为0～700 m时,顶板沉陷变化量不断增加,底板隆起变化量在此阶段最大,工作面推进距离为700 m～3 500 m时,顶板沉陷变化量基本呈不断减小的趋势,底板隆起变化量也基本呈不断减小的趋势,这与前文分析的地表沉陷变化量趋势具有高度一致性。

4.2 地表沉陷—顶板移动的相关性

为进一步分析地表沉陷与工作面顶板位移的关系,绘制地表沉陷量与直接顶下沉量的曲线如图10所示,地表沉陷量与直接顶下沉量比值变化的曲线如图11所示。

图10 地表沉陷量与直接顶下沉量Fig.10 Surface subsidence and direct roof subsidence

图11 地表沉陷量与直接顶下沉量的比值变化曲线Fig.11 Variation curve of the ratio between surface subsidence and direct roof subsidence

由图10可知,随着开采活动的向前推进,煤层直接顶下沉量和走向地表沉陷量不断增大,且其增长趋势呈现出高度的一致性,说明地表沉陷量的大小与直接顶下沉量的大小具有很强的正相关性。根据曲线斜率可知,工作面推进0～2 100 m时,煤层直接顶下沉速率较大,此时地表沉陷速率也较大,此时地表沉陷量与直接顶下沉量的比值呈现不断增大的趋势,这是由于深部采动地表沉陷出现滞后的现象;在工作面推进2 100～3 500 m时,直接顶下沉速率逐渐减小,地表沉陷速率也不断减小,地表沉陷量与直接顶下沉量的比值趋于稳定,在0.37～0.38。在工作面推进2 800 m以后,地表沉陷量几乎不再增加,表明此时煤层已达充分采动状态。

5 结论

(1)深部开采地表沉陷演化规律为:当工作面推进2 800 m时,煤层已达到充分采动状态;开采结束后,沉陷盆地整体关于采空区呈现对称状态,数值模拟地表最大沉陷量为61.01 cm,与UAV激光雷达现场观测结果对比,误差为4.90%;沉陷量与工作面推进距离呈二次函数关系,地表沉陷的速度随着工作面的推进呈现出先增大后减小的趋势。

(2)深部开采条件下的顶底板岩层移动特征为:顶板沉陷变化量在工作面推进800 m前不断增加,底板隆起变化量在此阶段最大,工作面继续推进直至开采结束,顶板沉陷变化量和底板隆起变化量基本呈不断减小的趋势。

(3)深部开采下顶板下沉与地表沉陷的相关性特征为:在工作面开采至2 100 m前,深部采动下地表沉陷出现滞后的现象,地表沉陷量与顶板下沉量的比值呈现不断增大的趋势;在工作面推进2 100 m至开采结束,地表沉陷量与顶板下沉量的比值趋于稳定,在0.37～0.38。