老河道下充分采动地表移动变形研究.pdf

第3 4 卷第1 期 爆破 V 。1 ．3 4N 。．1 2 0 1 7 年3 月B L A S T I N GMa r ．2 0 1 7 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 4 8 7 X ．2 0 1 7 ．0 1 ．0 0 2 老河道下充分采动地表移动变形研究 刘慧慧，洪林 辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，阜新1 2 3 0 0 0 摘要针对1 9 3 0 煤矿河流改道后5 } } 煤层充分开采后地表移动变形进行研究。通过理论计算得到地表 下沉值为2 8 0 3 ．5 6m m ，倾斜值为2 9 ．0 1m m ／m ，曲率值为0 ．4 4 1 0 ～／m 。基于相似理论进行相似材料模拟 试验，取几何相似常数2 0 0 、容重相似常数1 ．5 、应力相似常数3 0 0 按配比建立模型，共推进9 0 步，每步开采 2c m 。试验结果表明在开采结束后4 2d 内，地表移动变形速率最大，各变化曲线呈现出相对采空区中央布 对称分布的规律，最大下沉值为2 2 7 3 ．1 6m m ，最大倾斜值3 1 ．3 2m m ／m ，最大曲率为O ．4 3 1 0 ～／m 。观测线 实测数据与理论计算及物理试验结果相吻合，开采后形成的下沉盆地将威胁矿井安全生产。 关键词理论计算；地表移动变形；充分开采；相似材料模拟 中图分类号T D 2 3 5 ．3 文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 7 0 1 0 0 0 7 0 5 P r e d i c t i o no fS u r f a c eD i s p l a c e m e n ta n dD e f o r m a t i o n b yM i n i n gu n d e rP r e v i o u sR i v e r w a y L I UH u i h u i ，H O N GL i n C o l l e g eo fS a f e t yS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，L i a o n i n gT e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，F u x i n12 3 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h es u r f a c em o v e m e n ta n dd e f o r m a t i o no ft h e5 c o a ls e a ma f t e rt h ed i v e r s i o no ft h er i v e ri n1 9 3 0 c o a lm i n ew a ss t u d i e d ．B yt h e o r e t i c a lc a l c u l a f i o n ．t h es u r f a c es u b s i d e n c ev a l l i ei s2 8 0 3 ．5 6m m 。t h es l o p ev a l H ei s 2 9 ．0 1m m ／ma n dt h ec u r v a t u r ev a l u ei s0 ．4 4 1 0 - 1 ／m S i m i l a rm a t e r i a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u t b a s e do ns i m i l a r i t yt h e o r y ，a n dt h em o d e lw a se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h eg e o m e t r i cs i m i l a r i t yc o n s t a n t2 0 0 ，b u l k d e n s i t ys i m i l a r i t yc o n s t a n t1 ．5 ，a n dt h es t r e s ss i m i l a r i t yc o n s t a n t3 0 0 ，t o t a l9 0m i n i n gs t e p sw i t he a c hs t e p2e m ．T h e t e s tr e s u l t ss h o wt h a tw i t h i n4 2d a y sa f t e rt h ee n do fm i n i n g ，t h es u r f a c em o v e m e n td e f o r m a t i o nr a t er e a c h e dm a x i ． m u m ，a n dt h ec u r v e ss h o wac e n t r a ls y m m e t r i cd i s t r i b u t i o nr u l er e l a t i v et om i n e d ．o u ta r e a ，w i t hm a x i m u ms u b s i d e n c e 2 2 7 3 ．1 6m m ．m a x i m u mt i l tv a l u e3 1 ．3 2m m ／m ．a n dt h em a x i m u mc u r v a t u r e0 ．4 31 0 - ’／m ．T h em e a s u r e dd a t ao f t h e o b s e r v a t i o nl i n ea r ei na g r e e m e n tw i t ht h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n dt h ep h 7 s i e a lt e s tr e s u l t s ． K e yw o r d s t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ；s u r f a c em o v e m e n ta n dd e f o r m a t i o n ；f u l l ym i n i n g ；s i m i l a rm a t e r i a ls i m u l a t i o n 地下煤层开采后，地表会发生移动和变形，煤层 倾角较小且无较大断层破坏时，地表按一定规律形 成沉陷盆地，其范围内将产生大小不同的沉陷变 收稿日期2 0 1 6 1 0 1 7 作者简介刘慧慧 1 9 9 1 一 ，女，满族，辽宁省本溪市人，硕士，从事瓦斯 灾害防治理论与技术研究， E m a i l l i u h t t i h u i 1 6 3 ．㈣。 通讯作者洪林 1 9 7 6 一 ，男，汉族，重庆永川人，博士、副教授，主 要从事煤矿瓦斯灾害、火灾领域的教学与研究工作， E m a i l 3 3 2 7 7 3 8 5 4 q q ．c o r n 。 基金项目国家自然科学基金项目 5 1 0 0 4 0 6 2 形引。研究地表移动变形规律及准确预计地表变 形，对生态环境保护和矿井安全生产具有十分重要 的理论和实际意义M 。7J 。对于矿井开采地表移动变 形的研究，国内外专家学者开展了大量的工作，U n ． v e rB 通过相似材料模拟与数值模拟厚煤层开采对 地表移动的影响，提出地表沉陷机理及防治措 施旧1 ；刘宝琛等以随机介质理论为基础，建立了研 究煤矿地表移动的概率积分法一’1 0 1 ；何国清教授提 出了岩移预计的威布尔分布法，提高预计可靠性，简 万方数据 8爆破2 0 1 7 年3 月 单易行1 | ；韩凯等通过相似材料模拟实验研究倾斜 煤层开采地表移动变形规律，为倾斜煤层安全开采 提供依据⋯。 艾维尔沟河下煤层开采属特殊复杂条件下的河 下开采类型，具有煤层多、埋藏浅、煤层厚 煤层多 为3m 以上、主采煤层5 号平均厚度近5 ．0m 、覆 岩硬 开采煤层上覆岩层坚硬而脆性大，无隔水 层 、河水流量大 艾维尔沟河流在丰水季节最大流 量达1 0 ．3m 3 ／s ，全年平均流量3 ．8 5m 3 ／s ，其中在历 史上所见洪峰流量高达1 5 9m 3 ／s ，此类地质条件 下采煤在之前国内外研究中较为少见，前人研究多 为普通地质条件下的地表移动变形。针对1 9 3 0 煤 矿河流改道后，在特定地理条件下充分开采老河道 下5 煤层引起的地表移动变形展开研究，艾维沟河 虽已改道，但地表水及第四系水丰富，煤炭开采后在 地表形成下沉盆地，在盆地边缘会产生裂隙，并与下 覆岩层形成水力通道，地表水或第四系水将会涌入 矿井，影响矿井正常生产。采用理论计算、相似材料 模拟实验两种方法，得到地表移动变形数值，并与工 程实测数据相验证，并为矿井防治水提供理论依据。 1 矿井地质概况 1 9 3 0 煤矿位于乌鲁木齐南部艾维尔沟矿区，矿 区位于天山谷地型山间盆地之中，南、北、西三面高 山环绕，东西狭长状展布，整体呈西高东低之势，地 层露头良好。开采5 号煤层倾角1 8 。～3 8 0 ，煤层总 厚0 ．7 8 ～8 ．0 9m ，平均4 ．7 3m ，可采平均煤厚 4 ．5 9m ，煤层埋深5 0 ～3 0 0m 。煤层顶板为灰白色 粗砂岩、砾岩，局部为细砂岩，底板为深灰色粉砂岩。 地表主要是艾维尔新、老河道，雨季时地表水及第四 系含水层水量丰富。整个井田划分为一个水平 1 6 0 0m 开采，井田单翼开采，沿走向长度平均 约2 7 0 0m 。矿井井筒位于井田的东边界附近，为单 翼井田开拓。 2 概率积分法预计地表变形 概率积分法的数学模型采用随机介质理论，对 采动下沉盆地的描述更为精确和合理，数学理论推 导严密，模型涉及参数少，计算结果可靠，分析精度 高，适用范围广泛，并且算法简单，便于编程解 算。13 I 。1 9 3 0 煤矿上覆岩层性质为中硬，煤层为倾 斜煤层，煤层开采后地表沉陷规律基本符合随机介 质理论，适合于用概率积分法进行分析计算，走向主 断面地表移动和变形最大值预计公式如下 既 q m C O SO ／ 1 i 。 孥 2 K 。1 ．5 2 坠 3 式中既为地表最大下沉；g 为地表下沉系数； m 为煤层开采厚度；仅为煤层倾角；i m 为地表最大倾 斜；K 为地表最大曲率。 煤层平均埋深为Ⅳ 2 1 2 ．5 9m ，平均倾角为 2 0 。，主要影响半径r 毛 9 6 ．6 3m ，选择合理的 t a nJ ‘ 参数计算，得出走向主断面地表最大下沉值既 2 8 0 3 ．5 6m m ，最大倾斜值i 。 2 9 ．0 1m m ／m ，最大曲 率绝对值K m 0 ．4 4 1 0 ～／m 。岩移预计参数如表 1 所示。 表1 概率积分法的岩移预计参数 T a b l e1 P r o b a b i l i t yi n t e g r a t i o nm e t h o do fr o c km o v e m e n tp a r a m e t e r si se x p e c t e d 3 相似材料模拟实验 3 ．1 模型建立及开挖 本次实验模拟采深 日 2 0 0m ，采厚 M 5 ．0 0m ， 采用3m x2m 的平面相似材料模拟实验架进行。 几何相似常数o t ，，通常取在1 0 0 ～2 0 0 之间，本 次实验几何相似常数取为O t ， 2 0 0 ；容重相似常数 取为O t ， 1 ．5 ；应力相似常数O t ， O ／f 仅， 2 0 0 1 ．5 3 0 0 ；时间相似常数为a 。 ／a 2 俩o 1 4 。 根据对相似材料配方所做实验结果，选择实验 的配方及配比，各岩层和煤层的力学参数及厚度情 况取值如表2 所示。 模型位移测点布置如下为了分析工作面开采 过程中上覆岩层运移情况，在顶板各岩层布置位移 测点。模型布置水平方向测线1 1 条，由上至下编号 A K ，垂向测线2 9 条，由左至右编号1 2 9 ，共计 3 1 9 个测点。位移测点的位置如图1 所示。 万方数据 第3 4 卷第1 期刘慧慧，洪林老河道下充分采动地表移动变形研究 9 表2 各岩 煤 层厚度及强度指标 T a b l e2 R o c k c o a l l a y e rt h i c k n e s sa n ds t r e n g t hi n d e x 开挖采用一次采空的方式，从左向右依次开挖，整 个开采过程共9 0 步，每步开采2c m ，共计开采1 8 0c m ， 相当于推进距离3 6 0m 。开采过程中，每2h 测量一次 位移；开采结束以后，每天测量一次位移，数据测记时 间间隔为6h ，连续测量3 6 ～4 8d 。测记过程中进行地 表位移的整理，以1 2d 时间间隔的地表最大下沉达到 0 ．1 5m m 为稳沉标准。图2 一图5 分别为工作面推移 6 0m 、1 2 0m 、2 4 0m 、3 6 0I l l 时的开挖模拟。 图1 位移测点布置 F i g ．1D i s p l a c e m e n tm e a s u r i n gp o i n tl a y o u t 图2 推进距离L 6 0m F i g ．2 F o r w a r dd i s t a n c eL 6 0m 图3 推进距离L 1 2 0m F i g ．3 F o r w a r dd i s t a n c eL 1 2 0m 图4 推进距离￡ 2 4 0m F i g ．4 F o r w a r dd i s t a n c eL 2 4 0m 图5 推进距离L 3 6 0m F i g ．5 F o r w a r dd i s t a n c eL 3 6 0m 3 ．2 地表移动变化规律及特征分析 下沉盆地内任意一点的静态地表移动初始期从地 表下沉值达到1 0m i l l 时起，到下沉速度小于5 0m m ／月 止；活跃期下沉速度大于5 0m m ／月的一段时间；衰退 期是从活跃期结束时开始，到6 个月内下沉值累计不 超过3 0m m 时为止，即认为地表移动已经稳沉。 1 地表下沉随时间的变化规律 在采煤结束后的4 2d 内，地表下沉速度较快， 最大下沉值由9 7 9m m 变为1 8 9 4m m ，月平均增加量 为6 4 3m m ；4 2 ～9 8d 内，地表下沉量的变化逐渐由 大变小，移动盆地缓慢扩大，地表最大下沉量为 2 2 7 2m m ，月平均增加量为1 1 5 ．7m i l l ；9 8 ～3 2 2d 内，地表下沉最大值基本不再变化，最大值为 万方数据 1 0爆破 2 0 1 7 年3 月 2 2 7 3 ．1 6m m ，期间仅增加了约1m m ，认为已经到达 稳沉状态。值得注意的是，在下沉盆地的边缘位置， 地表有逐渐隆起的趋势，即下沉值为负值，但隆起的 量较小，见图6 所示。 ．i 行静态哆f 嶙、一 5 0 0二一j 、 、7 、 | _ 二一‘ 一，1 f 】，j ，专兰。∥f l ≯’二 ；5 0 0 、．- ，。 一 { 。、． ／ 萼I n f 1 、‘’7 、 ， ‘I5 0 0 ℃i - √ f 0 0 。 1 5 0 0 图6 地表静态卜沉随蚓q 变化曲线 F i g ．6 S u r f a c es t a t i cs i n k i n gc u r v eo v e rt i m e 2 地表倾斜随时间的变化规律 图7 为地表倾斜随时间的变化曲线。开采结束 后4 2d 内，地表最大正倾斜达到1 3m m ／m ，最大负 倾斜值为一8m m ／m ；4 2 ～9 8d 内，最大正倾斜值达 到2 8m m ／m ，最大负倾斜值达到一1 3m m ／m 。随着 时间的推移，地表倾斜值越来越大，说明采动的影响 正逐渐反映到地表。基本稳定后的最大正倾斜变形 为3 1 ．3 2m m ／m ，最大负倾斜变形为一2 1 ．2 0m m ／m ， 最大下沉点处的倾斜值为零，呈现出相对于采空区中 央较规则的对称分布规律。 。d 行静态f 顷斜变形曲线 ■一 一厂 ≮妒瓣J ． 图7 地表倾斜随时J 、白J 变化曲线 F i g ．7 S u r f a c et i l tc h a n g i n gw i t ht i m ecurve 3 地表曲率随时间的变化规律 图8 地表曲率随时间的变化曲线。开采结束 4 2d 内，最大正曲率值达到0 ．1 1 0 。x1 ／m ，最大 负曲率值达到一0 ．1 2 1 0 ‘3 1 ／m ；4 2 ～9 8d 内，最 大正曲率值达到0 ．3 8 1 0 。3 1 ／m ，最大负曲率值 达到一0 ．2 2 1 0 。3 1 ／m 。随着时间的推移，地表 曲率值无论是正值还是负值，在同一位置均呈逐渐 变大的规律，说明采动的影响正逐渐反应到地表。 基本稳定后的最大正曲率变形为0 ．4 3 1 0 ‘3 1 ／m ，最大负曲率变形为一0 ．2 6 1 0 。3 1 ／m 。 图8 地表曲率随时间变化曲线 F i g ．8 S u r f a c ec o r v a t u r ec h a n g eCHIVeo v e rt i m e 4 地表移动变形特征分析 据实验及地表移动变化曲线图分析认为其一， 在采空区上方的地表下沉主要是由于顶板岩层破 碎、冒落，老顶及以上岩层弯曲下沉所致。在此过程 中，坚硬覆岩内部产生垂直层面的裂缝和顺层理面 的离层裂缝，使采区上方岩层在向下弯曲移动过程 中，下沉量由下而上逐渐减小。表土层作为荷载，对 起控制作用的基岩施加巨大的压力，使采空区上覆 岩层的离层裂缝及冒落岩层的碎涨系数减小，使下 沉值增大；其二，松散层中大多有含水层，煤层开采 后，造成含水层水位下降，失水地层受本身附加荷载 的作用，导致土层孔隙比发生变化，加剧了地表的下 沉；其三，由于原河流作用，地表抗变形能力差，表土 层具有一定湿陷性，导致下沉值、倾斜值和曲率值均 较大，且正曲率值约为负曲率值的两倍，主要原因是 煤层埋藏不深，覆岩较硬。 4 工程验证 为验证概率积分法预计和相似材料模拟实验预计 结果，通过实测数据验证其准确性，对比结果见表3 。 表3 工程验证表 T a b l e3 E n g i n e e r i n gv e r i f i c a t i o nt a b l e 5 结论 通过对1 9 3 0 煤矿5 煤层开采后地表移动变形 的研究分析，在资料的整理及计算过程中，得到以下 结论 1 概率积分法计算及相似材料模拟实验两种 翌 厂一产～ ∞如加m o m 加如 万方数据 第3 4 卷第1 期刘慧慧，洪林老河道下充分采动地表移动变形研究 方法得到结果地表下沉值分别为2 8 0 3 ．5 6 、 2 2 7 3 ．1 6m m ，倾斜值分别为2 9 ．0 1 m m ／m 、 3 1 ．3 2m m ／m ，曲率值分别为0 ．4 4 1 0 ～／m 、0 ．4 3 1 0 一／m ，且与实测地表下沉值2 4 0 3 ．1 1m m ，倾斜值 3 0 ．0 7m m ／m ，曲率值0 ．4 7 1 0 。／m 无较大偏差，是 准确可信的。 2 研究结果得到由于地表抗变形能力差，达到 充分采动后地表形成下沉盆地，最大下沉可达2 ．8n l ， 在雨季地表下沉盆地会积聚雨水，增加地表水及第四 系含水层的水量，将会给矿井防治水工作造成一定的 影响，应引起高度的重视。研究结果将对矿井防治水 工作及类似条件矿井开采提供参考价值。 [ 2 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 5 ] 参考文献 R e f e r e n c e s 钱鸣高．煤炭的科学开采[ J ] ．煤炭学报，2 0 1 0 4 5 2 9 5 3 4 ． Q I A NM i n g g a o ．O ns u s t a i n a b l ec o a lm i n i n gi nC h i n a [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fC o a lS c i e n c e T e c h n o l o g y ， 2 0 1 0 4 5 2 9 - 5 3 4 ． i nC h i n e s e 朱卫兵，许家林，施喜书．覆岩主关键层运动对地表沉 陷影响的钻孔原位测试研究[ J ] ．岩石力学与工程学 报，2 0 0 9 ，2 8 2 4 0 3 4 0 9 ． Z H UW e i b i n g ，X UJ i a l i n ，S H IX i - s h u ．R e s e a r c ho ni n f l u e n c eo fo v e r b u r d e np r i m a r yk e ys t r a t u mm o v e m e n to n s u r f a c es u b s i d e n c ew i t hi n s i t ud r i l l i n gt e s t [ J ] ．C h i n e s e J o u r n a lo fM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 9 ，2 8 2 4 0 3 4 0 9 ． i nC h i n e s e 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] [ 8 ] [ 9 ] [ 9 ] [ 1 0 ] [ 1 0 ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 3 ] f o rs u r f a c es u b s i d e n c ec o n s i d e r i n gt h eg e o m e t r i c a lc h a r a c - t e r i s t i c so fj o i n t s [ J ] ．J o u r n a lo fM i n i n g S a f e t yE n g i n e e f i n g ，2 0 1 4 4 6 2 0 6 2 3 ，6 3 0 ． i nC h i n e s e 何国清，杨伦．矿山开采沉陷学[ M ] ．徐州中国矿 业大学出版社，1 9 9 1 ． 韩奎峰，康建荣，王正帅，等．山区采动地表裂缝预测 方法研究[ J ] ．采矿与安全工程学报，2 0 1 4 6 8 9 6 ． 9 0 0 ． H EK u i - f e n g ，K A N GJ i a n r o n g ，W A N GZ h e n g - s h u a i ，e t a 1 ．P r e d i c t i o no fs u r f a c ef i s s u r ei nh i 。g hr e l i e fa r e a si n - d u c e db yu n d e r g r o u n dc o a lm i n i n g [ J ] ．J o u r n a lo fM i n i n g ＆S a f e t yE n g i n e e r i n g ，2 0 1 4 6 8 9 6 - 9 0 0 ． i nC h i n e s e BU n v e r ，NE Y a s i d i ．M o d e l i n go fs t r a t am o v e m e n tw i t ha s p e c i a lr e f e r e n c et oc a v i n gm e c h a n i s mi nt h i c ks e a mc o a l m i n i n g [ J ] ．I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fC o a lG e o l o g y ，2 0 0 6 ， 6 6 4 2 2 7 - 2 5 2 ． 崔健．近浅埋煤层条带开采地表沉陷主控因素研究 及沉陷预计方法[ D ] ．太原太原理工大学，2 0 1 5 ． C U IJ i a n ．S t u d yo nm a i nc o n t r o lf a c t o r sa n dp r e d i c t i n g m e t h o do fs u r f a c es u b s i d e n c ei ns t r i pm i n i n go fn e a r - s h a l - l o wc o a ls e a m [ D ] ．T a i y u a n T a i y u a nU n i v e r s i t yo fT e c h - n o l o g y ，2 0 1 5 ． i nC h i n e s e 洪兴．浅埋煤层开采引起的地表移动规律研究 [ D ] ．西安西安科技大学，2 0 1 2 ． H O N GX i n g ．S t u d yo nt h er e g u l a r i t yo fs u r f a c em o v e m e n t c a u s e db ys h a l l o ws e a mm i n i n g [ D ] ．X i ’a n X i ’a nU n i - v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，2 0 1 2 ． i nC h i n e s e 龚声胜．地表变形计算及预计系统设计与实现[ D ] ． 长沙中南大学，2 0 0 8 ． G O N GS h e n g s h e n g ．P r o g r a m m i n ga n dr e a l i z a t i o no np r e - d i c t i o no fc o a l m i n i n g - i n d u c e ds u b s i d e n c e [ D ] ．C h a n g - s h a C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，2 0 0 8 ． i nC h i n e s e 韩凯，王列平，陈南南．倾斜煤层相似材料模拟实 验分析研究[ J ] ．地矿测绘，2 0 1 3 2 1 8 1 9 ，2 3 ． H A NK a i ，W A N GL i e p i n g ，C H E NN a n n a n ．A n a l y s i so n s i m i l a rm a t e r i a l s i m u l a t i o ne x p e r i m e n tf o ri n c l i n ec o a l s e a m [ J ] ．S u r v e y i n ga n dM a p p i n go fG e o l o g ya n dM i n e r - a lR e s o u r c e s ，2 0 1 3 2 1 8 1 9 ，2 3 ． i nC h i n e s e 李培现，谭志祥，邓喀中．地表移动概率积分法计算 参数的相关因素分析[ J ] ．煤矿开采，2 0 1 1 6 1 4 1 8 ，5 ． L IP e i x i a n ，T A NZ h i x u a n g ，D E N GK a z h o n g ．R e l a t e d f a c t o r sa n a l y s i so fc a l c u l a t i o np a r a m e t e r so fp r o b a b i l i t y i n t e g r a lm e t h o df o rs u r f a c em o v e m e n t [ J ] ．C o a lm i n i n g T e c h n o l o g y ，2 0 1 1 6 1 4 1 8 ，5 ． i nC h i n e s e 万方数据