大强矿深部开采地表沉陷规律及机理研究_高均海.pdf

大强矿深部开采地表沉陷规律及机理研究 高均海1,2, 白国良1,2 1． 中煤科工集团唐山研究院有限公司, 河北 唐山 063012; 2． 天地 唐山 矿业科技有限公司, 河北 唐山 063012 [摘 要] 针对深部开采地表沉陷预测与控制问题, 以铁法矿区大强矿为例, 通过资料分析了 深部开采地表沉陷规律; 采用数值模拟方法, 分析了深部开采地表移动机理。 研究表明, 深部极不充 分开采, 地表下沉值和下沉速率均较小, 地表下沉活跃期不明显。 深部开采表现为地表一定范围内的 整体下沉, 影响范围扩大, 地表下沉系数相应减小。 采用概率积分法进行开采沉陷预计时, 应对地表 移动参数进行修订。 [关键词] 深部开采; 地表沉陷; 移动机制; 沉陷预测 [中图分类号] TD325 [文献标识码] A [文章编号] 1006-6225 2016 02-0026-03 Rule and Mechanism of Surface Subsidence with Deep Mining in Daqiang Coal Mine GAO Jun-hai1,2, BAI Guo-liang1,2 1． CCTEG Tangshan Research Institute,Tangshan 063012,China;2． TiandiTangshanMining Science surface subsidence; movement mechanism; subsidence predicting [收稿日期] 2015-08-19[DOI] 10． 13532/ j． cnki． cn11-3677/ td． 2016． 02． 008 [基金项目] 国家科技支撑计划项目 2012BAC13B03; 唐山市科技计划项目 14130212B [作者简介] 高均海 1963-, 男, 河北清苑人, 研究员, 博士, 主要从事矿山测量新技术、 开采损害防护及监测方面的研究。 [引用格式] 高均海, 白国良 ． 大强矿深部开采地表沉陷规律及机理研究 [J] ． 煤矿开采, 2016, 21 2 26-28, 52． 随着浅部煤炭资源的逐渐减少甚至枯竭, 煤炭 资源的开采已经向深部延伸。 随着煤矿开采深度增 加, 深部岩体的力学行为在赋存状态改变的情形下 趋于复杂, 深部开采引起的地表沉陷不同于浅部。 国内外开采沉陷研究成果表明, 目前对浅部开采沉 陷规律、 预测方法及控制理论等的研究较为成熟, 已能够满足浅部正常地质采矿条件下的工程需要, 但对深部开采条件下, 覆岩及地表沉陷机理、 预测 方法及控制理论的研究尚不完善, 不能满足深部开 采条件下地表沉陷预测及控制的需要。 因此, 深部 开采沉陷规律及预测方法的研究具有重要的理论和 实际意义。 根据铁法矿区大强矿深部开采情况, 对 深部开采地表沉陷规律及变形机理进行研究。 1 矿井开采条件概况 铁法矿区大强煤矿井田所在区域大部分为第四 系所掩盖, 没有含煤地层出露。 地层由老至新依次 为前震旦系、 中生界侏罗系上统建昌组、 三台子 组; 白垩系下统孙家湾组; 新生界第四系。 侏罗系 上统三台子组为本井田的含煤地层。 三采区为首采区, 0901 工作面为首采工作面, 标高 - 890- 1214m, 地 表 标 高 为 107． 5 105． 6m, 采深 997 1319m。 工作面长 240m, 回 采走向长 1172m, 煤层倾角 8 12。 开采 1 号煤 层, 为单斜构造, 工作面煤层分层 3 11 层, 平 均厚度 10． 5m, 纯煤平均厚度 9． 5m, 煤层坚固性 系数为 2 3。 夹石单层夹矸厚度 0． 1 0． 7m, 累 计平均厚度 1． 0m, 岩性为泥岩、 粉砂岩及团状黄 铁矿岩。 直接顶为油页岩, 灰黑色, 厚度 1． 5m, 在油页岩中局部夹有薄层黏土、 泥灰岩和菱铁矿薄 层透镜体。 油页岩结构致密, 细腻, 无裂隙, 泥质 胶结, 层状结构, 含碳, 易风化, 风化后呈饼状, 干后粉碎崩解。 基本顶为油页岩、 粉砂岩、 中砂岩 互层, 油页岩厚度 50 60m, 平均厚度 55m, 粉 砂岩厚度 2． 5 5． 5m, 平均厚度 4m, 中砂岩厚度 5 10m, 平均厚度 7． 5m。 直接底为泥岩粉砂岩, 厚度 0． 55m, 基本底为中砂岩、 粉砂岩、 粗砂岩、 泥岩互层, 厚度 8． 5m。 62 第 21 卷 第 2 期 总第 129 期 2016 年 4 月 煤 矿 开 采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol． 21No． 2 Series No． 129 April 2016 ChaoXing 采用综采放顶煤开采工艺, 采高 2． 9m, 平均 采放比 1 ∶ 2． 28, 放煤步距为 0． 7m, 放煤方式为 一采一放, 采用全部垮落法管理顶板。 2 矿井开采地表沉陷实测规律 2． 1 地表移动观测 结合工作面上方地表实际情况, 布设2 条观测 线 一条倾向观测线和一条走向观测线, 倾向观测 线长 2452m, 走向观测线长 1812m。 倾向观测线布 置43 个测点, 走向观测线布置32 个测点。 在观测 线长度以外设置观测站控制点, 控制点距最外测点 距离为 70m, 2 条测线共计布置 6 个控制点, 倾向 线 4 个, 走向线 2 个。 观测点布置如图 1 所示。 图 1 观测点布置 连接测量按 5″导线测量精度要求进行。 观测 线工作测点的平面位置, 从已知坐标的控制点, 按 10″导线测量的精度要求确定。 高程联测起算于矿 区三等水准点, 以不低于三等水准测量的精度要求 进行。 在移动过程中进行日常水准测量, 活跃期确定 为15d 左右观测一次。 衰退期巡回测量可30d 进行 一次。 可用单程的复合水准或水准支线的往返测 量, 实测按四等水准测量的精度要求进行。 平面测量仪器选用 GPS-RTK 或用测角精度为 2″、 测距精度为 2mm2ppm 的全站仪, 高程测量 采用 S1 级水准仪, 以三等水准测量精度进行测量。 2． 2 地表移动规律分析 地表移动观测站在 2013 年 11 月 20 日布设完 成, 12 月10 日完成首次全面观测。 工作面于2014 年 2 月份开始回采, 至 2015 年 4 月 3 日工作面进 尺运输巷 735m, 回风巷 764m 时, 24 48 号和 55 79 号测点下沉曲线如图 2 所示。 2014 年 6 月 11 日至 2015 年 4 月 3 日, 24 号和 55 号点的下沉 速率曲线如图 3 所示。 由图2 和图3 可以看出, 深 部开采条件地表下沉值较小, 地表最大下沉值 182． 5mm; 下沉速率小, 最大下沉速率为1． 14mm/ d, 活跃期不明显。 图 2 观测线下沉曲线 图 3 24 号和 55 号测点下沉速率曲线 3 深部开采数值模拟与沉陷机理分析 根据0901 工作面地质概况, 应用 FLAC3D数值 模拟软件, 建立三维立体模型, 模型尺寸长宽 高为 2000m2000m1500m, 如图 4 所示, 模型左 右两侧取水平位移约束边界 即 ux 0, 前后两 72 高均海等 大强矿深部开采地表沉陷规律及机理研究2016 年第 2 期 ChaoXing 侧取水平位移约束边界 即 uy 0, 下边界取垂 直位移约束边界 垂直位移 uz 0, 上边界 地 表 为自由边界。 回采过程中走向主断面上位移 和最大主应力变化如图 5 和图 6 所示。 从图 5, 图 6 可以看出, 工作面开采后地表移动值较小, 岩体 应力主要集中在采空区周边区域。 图 4 工作面 FLAC3D数学模型 图 5 主断面垂直位移等值线 0901 工作面为深部开采首采工作面, 受多种 因素影响, 工作面的面长 D 较小, 在大采深条 件下, 工作面开采的单向充分程度 D/ H 很小, 平均值为 0． 21, 地表处于极不充分开采, 表现在 采空区覆岩破坏的特征上, 具有悬臂梁、 垮落拱等 特性。 在工作面推 进 方 向 的 采 动 程 度 L/ H 0． 99, 小于 1, 未到充分采动程度, 覆岩表现为弹 性变形状态, 开采后模型塑性区分布如图 7 所示。 图 6 推进至 200mm 和 1000mm 时的最大主应力等值线 MPa 此外, 上覆岩层厚度大, 受扰动影响小, 岩层整体 强度高, 表现为硬岩的特性。 因此, 0901 工作面 深部开采上覆岩层破坏具有均匀、 整体压缩、 移 动、 变形的特点, 表现为地表一定范围内的整体下 沉, 影响范围扩大, 地表下沉系数相应减小。 图 7 开采后模型塑性区分布 4 结 论 1 大强煤矿 0901 工作面开采沉陷实测表 明 深部极不充分开采时, 地表下沉值和下沉速率 均较小, 地表下沉活跃期不明显。 深部开采表现为 地表一定范围内的整体下沉, 影响范围扩大, 地表 下沉系数相应减小。 2 深部开采沉陷与浅部非充分开采有一定 的差别, 采用概率积分法进行开采沉陷预计时应对 下转 52 页 82 总第 129 期煤 矿 开 采2016 年第 2 期 ChaoXing 学学报 自科版, 2013, 10 32 137-139． [3] 张 星, 毕义泉, 汪庐山, 等 ． 黏土矿物膨胀机理及防膨研 究现状 [J] ． 精细石油化工进展, 2014, 15 5 39-43． [4] 毛 惠, 邱正松, 黄维安, 等 ． 温度和压力对黏土矿物水化 膨胀特性的影响 [J] ． 石油钻探技术, 2013, 41 6 56- 61． [5] 付永强, 曾立新, 马发明, 等 ． 页岩膨胀性及分散性特征实 验分析 [J] ． 天然气工业, 2012, 32 9 48-51． [6] 焦淑静, 韩 辉, 翁庆萍, 等 ． 页岩孔隙结构扫描电镜分析 方法研究 [J] ． 电子显微学报, 2012, 31 5 432-436． [7] 李永良, 马 辉, 邱维理, 等 ． 泥河湾井儿洼剖面粉砂黏土 纹层成分的扫描电镜与能谱分析 [J] ． 北京师范大学学报 自然科学版, 2004, 40 1 120-123． [8] 王坤阳, 杜 谷, 杨玉杰, 等 ． 应用扫描电镜与 X 射线能谱 仪研究黔北黑色页岩储层孔隙及矿物特征 [J] ． 岩矿测试, 2014, 33 5 634-639． [9] 王坤阳, 徐金沙, 饶华文, 等 ． 扫描电镜-X 射线能谱仪在丹 巴地区铂族矿物物相特征分析中的应用 [J] ． 岩矿测试, 2013, 32 6 924-930． [10] 王 羽, 金 婵, 汪丽华, 等 ． 应用氩离子抛光-扫描电镜 方法研究四川九老洞组页岩微观孔隙特征 [J] ． 岩矿测试, 2015, 34 3 278-285． [11] 赵国会, 刘进晓, 尹增德, 等 ． 梁家煤矿巷道软岩微观特性 的试验研究 [J] ． 煤炭技术, 2015, 34 3 74-76． [12] Roland Pusch． A technique to delay hydration and maturation of borehole seals of expansive clay [ J] ． Engineering Geology, 2011, 1211 1 1-6． [13] 孟召平, 彭苏萍, 屈洪亮 ． 煤层顶底板岩石成分和结构与其 力学性质的关系 [J] ． 岩石力学与工程学报, 2000, 19 2 136-139． [14] 张保平, 单文文, 田国荣, 等 ． 泥页岩水化膨胀的实验研究 [J] ． 岩石力学与工程学报, 2000, 19 Z1 910-912． [15] David E． Smith, Yu Wang, Heather D． Whitley． Molecular simu- lations of hydration and swelling in clay minerals [ J] ． Fluid Phase Equilibria, 2004, 222 02 189-194． [16] 周 莉, 杜文学, 韩 雪, 等 ． 黏土矿物微观孔隙结构的分 形特征 [J] ． 黑龙江科技学院学报, 2009, 19 2 94- 96． [17] 孙仁远, 张云飞, 范坤坤, 等 ． 页岩中黏土矿物吸附特性分 子模拟 [J] ． 化工学报, 2015, 66 6 2118-2122． [18] 黄秋伟, 许江文, 王新河, 等 ． 有机盐抑制黏土水化膨胀应 用 [J] ． 油田化学, 2013, 30 4 496-499． [19] 王 萍, 屈 展, 刘易非, 等 ． 泥页岩水化膨胀的非线性蠕 变模型 [J] ． 西北大学学报 自然科学版, 2015, 45 1 117-122． [20] 徐力群, 刘厚彬, 孟英峰 ． 实验分析泥岩水化膨胀应力与力 学参数之间的关系 [J] ． 科学技术与工程, 2014, 14 9 151-154．[责任编辑 邹正立] ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ 上接 28 页 预计参数进行修订。 [参考文献] [1] 谢和平, 周宏伟, 薛东杰, 等 ． 煤炭深部开采与极限开采深 度的研究与思考 [J] ． 煤炭学报, 2012, 37 4 535-542． [2] 徐乃忠, 王 斌, 祁永川 ． 深部开采的地表沉陷预测研究 [J] ． 采矿与安全工程学报, 2006, 23 1 66-69． [3] 朱刘娟, 邹友峰, 郭增长, 等 ． 深部开采地表沉陷预测与控 制存在的问题及对策探讨 [J] ． 中国矿业, 2007, 16 12 61-64． [4] 邓喀中, 张冬至, 张周权 ． 深部开采条件下地表沉陷预测及 控制探讨 [J] ． 中国矿业大学学报, 2000, 29 1 52-55． [5] 于保华, 朱卫兵, 许家林 ． 深部开采地表沉陷特征的数值模 拟 [J] ． 采矿与安全工程学报, 2007, 24 4 422-426． [6] 缪协兴, 茅献彪, 孙振武, 等 ． 采场覆岩复合关键层的形成 条件与判别方法 [J] ． 中国矿业大学学报, 2005, 34 5 547-550．[责任编辑 施红霞] ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ 上接 36 页 小, 而下部由于受到拉伸, 而形成应力集中区域, 且墙体两侧的应力较小, 易形成下宽上窄的正 “八” 字裂缝。 [参考文献] [1] 题正义, 刘思杨, 屈年华 ． 采动作业下地表移动变形分析 [J] ． 辽宁工程技术大学学报 自然科学版, 2015, 37 6 657-660． [2] 冯宝红 ． 开采沉陷对建筑物影响的分析 [J] ． 测绘科学, 2013, 36 4 170-171． [3] 梁为民, 李 想, 乔俊凤 ． 受采动曲率变形影响的地基对建 筑物基础的力学作用 [ J] ． 矿业研究与开发, 2012, 32 4 93-96． [4] 刘书贤, 魏晓刚, 张 弛, 等 ． 煤矿多煤层重复采动所致地 表移动与建筑损坏分析 [J] ． 中国安全科学学报, 2014, 24 3 59-65． [5] 郭麒麟, 乔世范, 刘宝琛 ． 开采影响下的岩土体移动与变形 规律 [J] ． 采矿与安全工程学报, 2011, 28 1 109-114． [6] 陈 凯, 张俊英, 贾新果, 等 ． 浅埋煤层综采工作面地表移 动规律研究 [J] ． 煤炭科学技术, 2015, 43 4 127-130． [7] 冯 军, 谭志祥, 邓喀中 ． 厚松散层深部宽条带跳采对地表 沉陷的影响及应用 [J] ． 煤矿安全, 2015, 46 4 189- 191． [8] 赵 飞, 杨双锁, 崔 健, 等 ． 薄冲积层急倾斜煤层群开采 地表移动规律 [J] ． 煤矿安全, 2015, 46 1 40-43． [9] 王 刚, 郭广礼, 李 伶 ． 开采沉陷对高等级公路的破坏机 理 [J] ． 煤矿安全, 2011, 42 6 169-172． [10] 朱庆伟, 蒋 军 ． 煤层开采沉陷对桥梁建筑物的影响分析 [J] ． 测绘科学, 2014, 37 4 88-91． [11] 姚文华, 宋选民 ． 开采沉陷对地面建筑物的影响研究 [J] ． 中国煤炭, 2013, 34 3 57-59． [责任编辑 徐乃忠] 25 总第 129 期煤 矿 开 采2016 年第 2 期 ChaoXing