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第 1 3卷第 1期总第 8 0期 2 0 0 8年 2月煤矿开采 Co a l Mi n i n g Te c h n o l o g y V o 1 ． 1 3 N o ． 1 S e r i e s N o ． 8 0 Fe b r u a r y 2 0 08 风积沙和黄土覆盖下煤层开采地表移动规律对比研究孙洪星煤炭科学研究总院开采设汁研究分院，北京 1 0 0 0 1 3 [ 摘要] 针对榆林地区特珠的地貌和煤昙埋藏条件，在对风积沙和黄土性质分析的基础上，分别建立了风积沙和黄土覆盖下煤昙开采模型，采用数值模拟计算，结合实际观测结果，对风积沙和黄土覆盖下煤昙开采造成的地表移动进行了对比分析。 [ 关键词] 采煤；地表移动；风积沙；黄土 [ 中图分类号]T D 3 2 5 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 6 6 2 2 5 2 0 0 8 0 1 - 0 0 0 6 - 0 4 Ru l e s Co mp a r i s o n o f S ur f a c e M o v e me n t i nd uc e d b y Co a l M i n i n g un de r Ae o l i a n Sa n d a n d Lo e s s SUN Ho n g 。 x i ng C o a l Min in g B r a n c h， C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ，B e i j i n g 1 0 0 0 1 3， C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n s p e c i a l t e r r a i n a n d c o a l b e d d i n g c o n d i t i o n s a n d c h a r a c t e ri s t i c s o f Ae o l i a n s a n d a n d l o e s s ，a n u me ri c a l s i mu l a t i o n mo d e l o f mi n i n g c o a l un d e r Ae o l i a n s an d l o e s s wa s s e t u p a nd r u l e s c o mp a ris o n o f s u rfa c e mo v e me n t i nd u c e d b y c o a l mi n i n g u nd e r Ae o - l i a n s a n d a n d l o e s s wa s ma d e wi t h on t h e s po t o b s e twa t i o n da t a． Ke y wo r ds c o a l mi n i ng；s urfa c e mo v e me n t ；Ae o l i a n s a n d；l o e s s 大规模煤层的地下开采必然造成地表的移动和变形。由于松散层性质的不同，相同煤层开采所造成的地表移动会表现出不同的规律，对地表环境的影响也会有所不同。榆林地区侏罗纪煤田煤层埋藏浅，基岩厚度从 2 02 0 0 m不等，地表多覆盖新生代松散层。榆林市地处毛乌素沙漠和黄土高原过渡地带，西部为风沙草滩区，东南部为黄土丘陵沟壑区。在相同的煤层及基岩埋藏条件下，由于地表松散层性质的差异，煤层开采造成的地表移动也具有不同的特征。本文针对榆林地区特殊的地貌和煤层埋藏条件，在对风积沙和黄土性质分析的基础上，采用数值模拟计算，结合实际观测结果，对风积沙和黄土覆盖下煤层开采造成的地表移动进行了对比研究，总结出各自的特点和规律。 1 榆林地区煤层覆岩结构特征及移动规律分析由于榆林地区构造单元基底是坚固的前震旦系结晶岩系，成煤前后的整个地质发展过程继承了深部基底的稳固性，中生代以来，地史上历次构造运动对本区影响甚微。煤系地层和上覆岩层整体性好，抗压、抗拉和抗弯强度大，在下方煤层开采后不易冒落，使得其采空区的覆岩破坏和地表移动与中硬顶板条件下覆岩破坏有明显的不同。榆林地区侏罗系煤层开采深度小于 1 5 0 m、基岩厚度小于 1 0 0 m，采用长壁陷落法综合机械化采煤方法开采时，基本顶常常发生切冒，地表发生突然塌陷和不均匀沉降，主要表现为突发性塌陷。 2 榆林地区风积沙与黄土分布和物性特征 2 ． 1 风积沙分布和物性特征榆林市西北部风沙区几乎全部被松散沙层覆盖，厚度0 6 0 m，易于接受大气降水补给，在低洼处多形成富水地段，湖泊海子星罗棋布，形成了典型的沙丘梁峁及风沙滩地地貌。冲积物岩性以中细砂、粉细砂为主，质地疏松孔隙率高，透水性能强，具有良好的储水条件。沙漠地区风积沙的主要工程性质风积沙的粒径为 0 ． 2 5 0 ． 1 m m，不均匀系数为 1 ． 22 ． 0 ，曲率系数为 0 ． 91 ． 3 ，属不良级配，沙粒矿物以石英长石为主，形态以次棱角为主，天然状态下干密度为 1 ． 4 8 1 ． 6 8 g ／ a m ，内摩擦角 3 l 一 3 9 。，压缩系数 0 ． 1 。在榆林地区，风积沙层含水层尤其是下部的萨 [ 收稿日期 ]2 0 0 71 0 2 5 [ 作者简介 ]孙洪星 1 9 7 0一，男，河北沧州人，硕士，高级工程师，现任开采设计研究分院综合办主任。 6 维普资讯孙洪星风积沙和黄土覆盖下煤层开采地表移动规律对比研究 2 0 0 8年第 1期拉鸟苏组含水砂层是当地生产生活的主要供水含水层，也是矿井开采的主要充水水体。煤矿开采对风积沙层含水层的破坏将影响脆弱的毛乌素沙漠植被生态环境。 2 ． 2 黄土丘陵区分布和物性特征黄土是一种以粉粒为主、多孔隙、弱胶结的黄色第四纪沉积物，具有一系列独特的内部物质成分、外部形态特征和工程力学性质，不同于同时期的其他沉积物。在天然含水量条件下，黄土往往具有较高的强度和较低的压缩性。榆林市黄土丘陵区分布于东北部黄土梁峁地区，所处地形较高，黄土垂直裂隙及孔洞较发育，含裂隙孔洞，潜水水量贫乏。榆林地区的黄土丘陵区为典型黄土高原地带，黄土总厚度可达 1 5 0 m，但湿陷性黄土厚度在高阶地一般为 1 0～1 5 m，低阶地为4～8 m。黄土黏粒含量少，湿陷性比较强烈，较敏感，多属自重湿陷性黄土，地基湿陷等级有一半为Ⅲ、Ⅳ级。但在坡脚处情况较复杂，在陡坡处黄土易发生塌陷。 3 地表采动沉陷规律数值模拟计算 3 ． 1 模型的建立针对不同松散层分布区域，根据榆林地区的典型地质条件和煤岩等条件，分别建立了风积沙区和黄土丘陵区长壁开采工作面模型，模拟计算时按水平煤层考虑，开采方式为走向长壁。岩层从地表往下共分为 7层，分别为风积沙层／黄土、泥岩、砂岩、砂泥岩互层、中砂岩、煤层、砂质泥岩。在风积沙区长壁开采工作面模型倾向上，工作面按实际倾斜长度模拟，长度为 1 3 0 m；考虑两边各 4 0 m的边界影响区域，最后模型的倾向长度为 2 1 0 m。在模型走向上，工作面长度按 2 0 0 m 模拟，另外考虑两边共 1 3 0 m的边界影响区域，最后模型的走向长度为 3 3 0 m。模型四周边界和底端固定法向位移。在模型垂直方向上，煤层及其直接顶、基本顶和直接底等岩层均按实际的厚度进行模拟，最终建立模型如图 1 ，该模型共有 1 1 7 8 1个单元， 1 3 4 6 4个节点。为考察黄土丘陵区地表的采动沉陷规律，建立模型如图 2 ，地表按山区考虑为一起伏缓坡体，坡度约为 1 8 。。模型走向尺寸为 1 6 0 0 m，倾向尺寸为 2 5 0 m，模型分为 9 6 0 0个单元和 1 1 3 7 9个节点。模型中各煤岩层的物理力学参数基本按照收集到的试验室试验结果给定，没有试验室数据的按统计数据的平均值来考虑。岩性参数见表 1 。风积沙图 1 风积沙条件下模型结构泥岩砂岩砂泥岩互层中砂岩 3 2 砂质泥岩风积沙 I 1 8 图2 黄土丘陵条件下模型结构的岩性参数为考虑其含水时的岩性参数。模拟选用莫尔一库仑破坏准则，材料的屈曲面服从莫尔一库仑破坏准则剪切屈服函数和拉伸屈服准则。在屈曲面上的应力由非关联剪切破坏流动法则和关联的拉伸破坏流动法则共同确定。表 1 风积沙条件下岩性参数选取密度／厚度体积模切模黏聚力内峰擦抗拉强 k g． f l l 。／ m 量／ G P a量／ G P a ／ MP a 角／。度／ MP a 风积沙 2 3 0 0 6 0 0 ． 2 3 0 ． 1 1 0 ． 5 2 0 0 ． 4 黄土 1 8 7 0 6 0 0 ． 4 0 ． 3 0 ． 0 1 9 2 4 ． 5 0 ． 0 0 1 泥岩 2 6 8 0 3 6 4 ． 6 2 ． 6 1 2 3 0 0 ． 8 砂岩 2 3 2 0 2 0 3 。 6 2 。 5 2 ． 9 3 8 1 ． 3 2 7 2 0 1 7 4 ． 3 2 ． 6 7 ． 5 3 8 1 ． 8 L J 云中砂岩 2 6 3 8 1 0 4 。 8 3 8 7 4 3 9 0 ． 7 泥岩 2 7 2 0 9 3 ． 8 2 ． 0 1 3 ． 2 3 1 1 ． 1 砂岩 2 5 5 0 1 3 4 ． 5 3 ． 1 2 8 3 7 1 。 2 煤层 1 3 2 0 3 5 0 2 9 0 ． 1 5 0 ． 6 2 5 0 ． 6 3 砂质泥岩2 6 1 0 1 0 0 。 7 3 0 ． 4 8 1 9 ． 1 3 2 9 2 ． 8 3 ． 2 风积沙区地表沉降及移动规律数值模拟计算模拟时，设置每步开挖 4 0 m来研究地表动态破坏过程。自工作面从切眼回采始至回采结束，上覆岩层及地表经历的破坏过程可描述如下工作面回采初期开挖 4 0 m ，上覆岩层开始产生移动，主要是顶板发生断裂破坏，对地表影响较小，随着工作面不断推进开挖 8 0～1 2 0 m ，覆岩破坏区域不断变大，逐渐影响到地表。由于岩土体的抗拉强度相对于其抗剪强度小很多，而地表随开采的推进主要受到拉应力作用，因此地表最先出现的是拉伸破坏，最先出现拉伸破坏的区域是迎着开采方向的坡体表面开挖 8 0 m ， 7 维普资讯总第8 0期煤矿开采 2 0 0 8年第1期这是因为该处既有岩体朝采空区域移动的因素，同时也有坡体由于自重自身向临空面下滑的因素，下部煤层的开采加剧了坡体下滑的趋势，造成了坡体顶部的 “ 拉坏” 。随着开采的继续推进，切眼上方区域的岩体也开始朝采空区移动，呈现受拉破坏状态开挖 1 2 0 m 。坡谷由于受到两边坡体向临空面下滑的挤压，整体呈压剪破坏状态开挖 2 0 0 m 。覆岩垂直位移剖面云图如图 3 。所取剖面为工作面倾向中央剖面。图3 开挖 2 0 0 m 垂直位移等值线图覆岩位移从采空区逐渐传递到地表，受计算模型的限制，随开采推进在垂直方向上呈现出整体沉降的特点，没有出现位移不连续的情况，在开采结束后地表最大垂直位移达到 1 ． 5 5 m，地表沉陷盆地呈椭圆形。工作面开采后，上覆岩层的整体移动带动地表产生水平移动。地表在开采初期水平位移为沿负方向，随着开采进行，工作面沿正向推进，地表开始出现沿正向的位移，这正体现了地表向着采空区方向移动的特点。最终负向最大水平位移达到 2 6 ． 5 c m，X正向最大水平位移为 2 0 c m 见图4 。地表 l ，方向的移动向着采空区的中一 t5，以工作面中心走向线为界，其两边的 l ，方向水平移动均指向该线。随着开采沿方向的推进，地表 l ，方向的位移不断增大，至开采结束时，地表 l ，正方向最大水平位移达到 1 1 ． 6 c m，Y负方向最大水平位移达到 1 2 ． 1 c m。 3 ． 3 黄土区地表沉降及移动规律数值模拟计算黄土丘陵区长壁开采工作面模型开采尺寸 1 5 0 0 m 2 0 0 m。每步开挖 3 0 0 m，共开挖 5步。黄土丘陵区地表随开采的推进主要受到拉应力作用，最先出现的是拉伸破坏，最先出现拉伸破坏的区域 8 图 4 开挖 2 0 0 m地表方向和 Y方向位移分布云图是迎着开采方向的坡体表面。随开采进行，采空区上方岩层拉应力区域不断扩大，地表也逐渐由以水平压应力为主变为以拉应力为主；坡谷由于受到两边坡体向临空面下滑的挤压，整体呈压剪破坏状态。上覆岩层的整体移动带动地表产生水平移动，体现了地表向着采空区方向移动的特点。黄土丘陵区地表随开采推进，在垂直方向上没有出现整体位移不连续的情况，呈现出整体沉降的特点，但在局部范围，随地形起伏出现下沉不均的情况如在坡谷，地表可能不能形成椭圆形下沉盆地。山区地表的水平移动体现了地表向着采空区方向移动的特点，同时，其非对称性分布形状也体现了随地表起伏变化的特点。覆岩位移从采空区逐渐传递到地表，呈现出整体沉降的特点。图 5～ 6说明在局部范围，随地形起伏出现下沉不均的情况如在坡谷，因此地表未形成椭圆形下沉盆地。开采结束后地表最大垂直位移达到 2 ． 2 m。图 5 开挖 1 5 0 0 m后垂直位移剖面图6 开挖 1 5 0 0 m后垂直位移分布云图工作面开采后，上覆岩层的整体移动带动地表产生水平移动，其移动规律与风积沙地表基本相维普资讯孙洪星风积沙和黄土覆盖下煤层开采地表移动规律对比研究 2 0 0 8年第 1期同，其非对称性分布形状体现了随地表起伏变化的特点，坡顶处的向水平位移较其他地区要大。最终负向最大水平位移达到 4 8 ． 7 c m，X正向最大水平位移为 8 0 ． 7 c m 见图 7 。地表 y正方向最大水平位移达到 5 5 ． 3 c m，Y负方向最大水平位移达到 8 0 c m，地表 l ，方向位移分布特点与地表坡体地形有很大关系，坡顶处的水平 l ，向位移明显大于其他地区见图 8 。图7 开挖 1 5 0 0 m地表方向位移分布云图图 8 开挖 1 5 0 0 m地表 l ，方向位移分布云图 4 地表移动规律分析 1 坚硬顶板条件下下沉较小风积沙区模型的计算结果符合坚硬顶板条件下煤层开采所造成的地表移动规律，下沉较小，在风沙区最大下沉为 1 ． 5 5 m，下沉系数为 0 ． 5 2 ，符合建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程中总结的坚硬覆岩条件下地表移动参数规律见表 2 。 2 黄土区地表下沉较风沙区大在我国渭北矿区对黄土覆盖区煤矿开采后地表移动规律进行了观测，其结果对榆林地区具有参考价值。厚黄土层大大降低了上覆岩层的平均硬度，地表下沉系数大，较非黄土层覆盖区增大 2 8 ％，煤矿初采一般下沉系数达 0 ． 8 5以上。数值模拟计算的结果也反映了这一规律。开采同样厚度的煤层，在风积沙区最大下沉为 1 ． 5 5 m，而在黄土区则达到了 2 ． 2 m，下沉系数为 0 ． 7 3 ，符合中硬覆岩条件下地表移动参数规律，黄土区较风积沙区最大下沉增大了 2 9 ． 5 ％。表 2 按覆岩性质区分的地表移动一般参数综合部分覆岩类型重堂丝垦主赔性耋丧下沉系数水平移动系数 3 黄土区地表水平位移较大，易出现高角度裂缝由计算结果可见，在黄土区地表水平位移较大，向最大水平位移为 8 0 ． 7 c m，Y方向最大水平位移达到 8 0 e ra。由于在天然含水量条件下，黄土往往具有较高的强度和较低的压缩性。在地表为黄土覆盖区，地表会出现竖向、高角度裂缝。大裂缝往往贯通井下采空区，造成工作面漏风。在地表坡度较大的区域，出现台阶状下沉。 [ 参考文献] [ 1 ] 国家煤炭工业局．建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设压煤开采规程 [ M]．北京煤炭上业出版社，2 0 0 0 ． [ 2 ]煤炭科学研究院北京开采所．煤矿地表移动与覆岩破坏规律及其应用 [ M]．北京煤炭工业出版社，1 9 8 1 ． [ 3 ]张华兴．减少采动损害的工程技术 [ A]．煤炭科学研究总院开采研究所．中国煤炭工业叮持续发展的新型工业化道路 [ C]．北京煤炭上业出版社，2 0 0 4 ． [ 4 ]I t a s c a C o n s u l t i n g G r o u p ，I n c ．F L AC 3 D US E R S MA N U A L [ M] 2 0 0 4 [ 责任编辑邹正立] 一一一 ■ 一一薯 I 图象发改委要球己化煤_ 矿千拓书局萋 I山东省煤炭工 J 』局关于切i 抑优一匕 H拓布局合理集中生产意见提出，要严格拄 l工作面个数和煤炭资源开采上麓 0 Jt t_ J t j 灞开采度原则上应控制在 l O 0 0 m e 1 ‘l 、，、 r蒲，c - t ．函b R 殴应控南在6 O n 【 J、内原则上不再批准提高上限开采。此，『一、 b 聚灰负 1 禾鬟 ≥ 檄艏霜麟年的蕃宅檗聿个 } 提瑶产力妥逐压垦限 j 予e I 关f 羽 o 9 维普资讯