深部开采覆岩关键层对地表沉陷的影响(1).pdf

第 3 2卷第 7期 2 0 0 7年 7月 煤 炭 学 报 J O URN AL 0F C HI NA C 0AL S O CI E T Y V0 1 ． 3 2 No ． 7 J u l y 2 0 0 7 文章编号 0 2 5 39 9 9 3 2 0 0 7 0 7 0 6 8 6 0 5 深部开采覆岩关键层对 地表沉 陷的影 响 许 家 林 ， 连国 明 ， 朱卫 兵 ， 钱鸣 高 1 ． 中国矿业大学 能源与安全工程学院，江苏 徐州2 2 1 0 0 8 ； 2 ．山西省高平市新庄煤矿，山西 高平0 4 8 4 0 0 摘要 通过工程 实例和数值模拟实验，就深部开采覆 岩关键层对地表 沉陷的影响进行 了研究 ， 结果表明，对于倾斜煤层 而言 ，开采深度的增大意味 着基岩厚度的增加 ，从 而引起 深部开采覆岩 关键层层数一般 多于浅部开采，深部 开采覆岩主 关键层位置距开采煤层 的距 离一般 大于浅部开 采．正是由于受深部开采覆岩主关键层位置的改变和覆岩关键层层数增多的影响，导致了深部与 浅部开采地表沉陷特征的差异． 关键词 深部开采 ；关键层 ；地表沉陷；岩层移动；绿 色开采 中图分类号 T D 3 2 5 文献标识码 A I n flue nc e o f t h e k e y s t r a t a i n de e p mi ni ng t o m i n i n g s ub s i d e nc e X U J i a ． 1 i n ，L I A N G u o ． m i n g ，Z HU We i ． b i n g ，Q I A N Mi n g ． g a o 1 ． S c h o o l o fMi n i n g a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g，C h i n a U n i v e r s i t y ofMi n i n g＆ T e c h n o l o g y，Xu z hou 2 2 1 0 0 8 ，C h i n a；2 ． X i n z h u a n g C o a l Mine ，G a o p i n g C i t y S h a n x i P r o v i n c e ，G a o p i n g 048 4 0 0 ，C h i n a Abs t r a c tThe i n flue n c e o f t h e k e y s t r a t a i n d e e p mi n i n g t o mi n i n g s u b s i d e n c e wa s s t u d i e d b y t h e e n g i n e e r i ng i n s t a n c e a n d t he n u me r i c a l s i mu l a t i o n r e s pe c t i v e l y ．Fr o m t h e r e s ul t s o f a b o v e me n t i o n e d t wo s t ud y me t h o d s，e d u c e s t ha t i n c a s e o f t h e d e c l i n i n g c o a l s e a m t h e d e e p e r t h e mi n i n g p o s i t i o n i s l o c a t e d，t h e mo r e t h e t h i c k n e s s o f s t r a t a a b o v e c o a l s e a m i n c r e a s e s ．Th e r e f o r e，t h e a mo un t o f k e y s t r a t a a b o v e c o a l s e a m i n c a s e o f de e p mi n i n g a r e u s u a l l y mo r e t ha n t ha t i n c a s e o f mi n i n g a t s h a l l o w po s i t i o n，a nd t he d i s t a n c e b e t we e n t he ma i n ke y s t r a t u m a n d c o al s e a m i n c a s e o f d e e p mi n i n g i s mu c h mo r e t h a n t h a t i n c a s e o f t h e s h a l l o w o ne ．He r e b y，o wi n g t o t h e c ha n g e o f t h e ma i n k e y s t r a t um ’ S p o s i t i o n a nd t h e i n c r e a s i n g a mo u nt o f t he k e y s t r a t a，c o mp a r e d wi t h mi n i n g a t s h a l l o w p o s i t i o n，t h e s u b s i d e n c e o f d e e p mi n i n g i s d i f f e r e nt wi t h t h e t h e s u bs i de n c e o f s h a l l o w mi n i n g ． Ke y wo r ds d e e p mi n i n g； k e y s t r a t u m ； s u r f a c e mi n i n g s u b s i d e n c e； s t r a t a mo v e me n t ； g r e e n mi n i n g 随着煤炭资源的持续高强度开发 ，浅部煤炭资源 日益减少 ，煤矿开采深度 由最初浅部 2 0 0～ 3 0 0 m逐 步发展到深部7 0 0 8 0 0 m，我国部分煤矿开采深度已达到 1 0 0 0 m以上 J ．随着开采深度的增大，矿井开 采地质力学环境与浅部开采相 比发生明显改变 ，导致深部开采工程灾害 日趋严重．正是 由于深部开采地质 力学环境的改变 ，使得深部开采岩石力学行 为与浅部明显不同，基于浅部开采形成的岩层控制理论与技术 不能适应深部开采 J ．为了保证深部煤炭资源的安全高效开采，必须开展深部开采相关问题的研究，它 已成为目前国内热点研究课题之一．深部开采主要研究方向包括深部开采岩体力学基本特性、深部开采巷 道工程稳定性控制、深部开采动力灾害防治、深部开采岩层移动与开采沉陷控制等方面 ． 收稿 日期 2 0 0 6 1 0 1 9 责任编辑 柴海涛 基金项 目国家 自然科 学基金 重大资助 项 目 5 049 0 2 7 3 ；教育部 “ 新世纪优秀人才支持计划” 资助项 目 N C E T一 0 5047 8 作者简介 许家林 1 9 6 6～ ，男 ，江苏句容人 ，教授 ，博士生导师 ．Ema i l c u mtx j l c u mL e d u ． c n 维普资讯 第 7期 许家林等 深部开采覆岩关键层对地表沉陷的影响 6 8 7 已有的实测资料表明 ] ，深部开采地表沉 陷特征与浅部 开采存在明显差异． 目前 ，对导致深部与 浅部开采地表沉陷差异的内部岩层移动机理还没有得 到很好地解释．本文基于关键层理论对此问题开展研 究． 1 深部开采覆岩关键层组合特征 由于成岩时问及矿物成分不同，煤系地层形成了厚度不等、强度不同的多层岩层 ，总体上分为表土层 与基岩 2部分 ．基岩段是 由厚度不等 、软硬不同的岩层相问组成 ，实践表明，其 中一层至数层厚硬岩层在 岩层移动中起主要的控制作用．将对采场上覆 岩层局部或直至地表的全部岩体起控制作用的 岩层称为关键层 ，前者称为亚关键层 、后者称 为主关键层． 图 1 所示 为典型倾斜煤系地层．假设基岩 中共有 3层关键层 ，由图 1可 知 ，随采 深增 大 ，表土层 的厚度 1 0 0 m基本不变 ，基岩 厚度增 大 ，如 采 深 由 4 0 0 m 增 大到 1 0 0 0 m 图 1 深部开采覆岩关键层组合特征 F i g ． 1 S k e t c h o f k e y s t r a t a s c o m bi n e d c h a r a c t e r i n d e e p mi n i n g 时，基岩厚度 由 3 0 0 m增大为 9 0 0 m． 由于深部开采基岩厚度的增大，导致覆岩关键层层数的增多和主关 键层位置的改变．当浅部开采 一 4 0 0 m 以上 时 ，采场覆岩关键层只有 1 层 ，仅煤层上方的关键层 1对 岩层移动和地表沉陷起到控制作 用 ，关键层 1是覆岩主关键层．当采深增 大 ⋯ 4 0 0 6 0 0 m时 ，采 场覆岩关键层增加为 2层 ，关键层 1 ，2都会对岩层移动与地表沉 陷产生影响 ，关键层 2成为覆岩主关键 层．当采深继续增大 一 6 0 0 m以下 时 ，采场覆岩关键层增加到 3层 ，关键层 1 ，2 ，3都会对岩层移动 与地表沉陷产生影响，关键层 3成为覆岩主关键层． 采用覆岩关键层位置判别软件对淮北矿区和徐州矿区某矿覆岩关键层位置进行了判别 ，结果如图 2所 示．由图 2 a 可知 ，随采深增大 ，该矿 1 0号煤层覆岩关键层由 1 层逐步增加到 3层． 当采深小于一定 值时 ，覆岩仅存在关键层 1 ，厚 1 5 0 m的火成岩 关键层 3 对开采沉陷不起作用．当采深增大一定值后 ， 厚 1 5 0 m的火成岩 关键层 3 将成为覆岩主关键层 ，对开采沉 陷将起控 制作用． 由图 2 b 可知 ，随 采深增大 ，该矿 7号煤层覆岩关键层 由 1 层逐步增加到 4层 ，覆岩主关键层位置距开采煤层距离增大． 图2 深部开采覆岩关键层组合特征实例 F i g ． 2 Ex a mp l e s o f k e y s t r a t a ’ S c o mb i n e d c h a r a c t e r i n d e e p mi n i n g 2 深部 开采覆岩 关键层对地 表沉 陷的影 响 覆岩岩性与组合对地表沉陷的动态过程与沉 陷盆地特征有显著影响．关键层理论 的研究证 明 覆 岩关键层对岩层移动与地表沉陷起控制作用 ，覆岩主关键层对地表沉陷的动态过程起控制作用 ，覆岩主关 键层 的破断将 引起地表下沉速度和地表下沉影响边界 的明显增大和周期性变化． 事实上 ，对岩层移动与地表沉陷而言 ，深部 开采 的地质力学环境 的最大特点之一在于基岩厚度 的增 大，使得与浅部开采相比覆岩关键层位置与组合关系发生改变，这是导致深部开采地表沉陷不同于浅部开 维普资讯 煤 炭 学 报 2 0 0 7 年第3 2 卷 采的主要原因．实测和数值模拟研究证实了上述论点． 2 ． 1 实测研究 浅部与深部开采地表沉陷的实测条件如图2 a 所示的淮北某矿一水平首采工作面 1 0 2 2 与二水平首 采工作面 l I 1 0 2 2 ．两工作面的开采地质条件见表 1 ． 由表 1可知 ，浅部 的 1 0 2 2工作面平 均采深为 3 7 0 m， 基岩厚度为 1 3 0 m；深部 的 l I 1 0 2 2工作面 的平 均采深为 6 1 1 1T I ，基岩厚 度为 3 7 1 m． 由图 2 a 可知 ， 1 0 2 2工作面开采时覆岩中仅有 1 层关键层即关键层 1 ，而 lI 1 0 2 2工作面有 3 层关键层即关键层 1 ， 2 ，3 ． 表 1 工作 面地 质采矿条件 T a b l e 1 T h e g e o l o g y c o n d i t i o n o f mi n i n g wo r k f a e e 1 0 2 2与 l I 1 0 2 2工 作面开采地表沉陷的 测线 布 置方 案如 图 3 所 示 ，表 2为两 工 作 面地 表沉 陷的 实测 结 果的汇总． 由表 2可 知 ，尽 管深 部开 采 的 l I 1 0 2 2 工作 面 的斜长 比浅部 开采的 1 0 2 2工作面斜 2 9 3 0 1 o 2 2 工作面 2 8 4 2 ●●●● 5 3 I I 图3 浅部开采与深部开采地表沉陷实测方案 F i g ． 3 T h e l a y o u t o f s u b s i d e n c e o b s e r v a t i o n l i n e i n s h a l l o w mi n i n g a n d d e e p mi n i n g 长要大近 1 倍，但l I 1 0 2 2工作面开采引起的地表最大下沉量和最大变形值明显偏小，远小于 1 0 2 2 工作面 开采引起的地表最大下沉量和最大变形值．浅部开采与深部开采覆岩关键层组合关系的不同是引起上述 1 0 2 2工作面开采与 I I 1 0 2 2工作面开采地表沉陷差异的根本原因．浅部开采的 1 0 2 2工作面覆岩主关键层为 厚 1 7 m的粉砂岩 关键层 1 ，工作面斜长 1 4 0 m时 ，该主关键层发生破断 ，导致较大的地 表沉 陷和变 形．深部开采的 Ⅱ1 0 2 2工作面覆岩主关键层为厚 1 5 0 m的火成岩 关键层 3 ，工作面斜 长 2 2 0 m时 ，该 主关键层没有发生破断 ，使得地表沉陷和变形很小． 表 2实测地 表移动变形最大值 Tabl e 2 The m a x i mum o f par a m e t e r s f r om s ur ve y 2 ． 2 数值模拟研究 为了进一步验证深部开采覆岩关键层位置与层数的变化对地表沉陷的影响，以图 1 所示的覆岩条件为 例开展 了采深分别为 3 0 0，8 0 0 1 7 1 时地表沉陷的对 比研究． 假设图 1中煤层厚度 3 ． 0 m，表土层厚度为 1 0 0 m，3层关键层距煤层 的法 向距离分别 为 8 0 ，2 8 0 ， 4 6 0 m．当采深为 3 0 0 m时 ，基岩厚度 2 0 0 m，覆岩 仅有 1层关键层 ，关键层 1为覆岩 主关键层 ；采深为 8 0 0 m时，基岩厚度7 0 0 in ，覆岩有 3 层关键层，关键层 3 为覆岩主关键层．假设图 1 所示覆岩 3 层关键 维普资讯 第7 期 许家林等 深部开采覆岩关键层对地表沉陷的影响 层的厚度与初次破断距分别为关键层 1 厚 4 0 m，初次破断距 1 6 0 m；关键层 2厚 5 0 m，初次破断距 1 6 0 m；关键层 3厚 6 0 m，初次破断距 2 0 0 m．考虑到岩层破断角影响 ，岩层破断角按 7 5 。 计 ，工作面推进 2 0 0 ，3 0 0 ，4 5 0 m时覆岩 3 层关键层分别发生初次破断．为了研究方便起见，沿走向剖面建立数值模型． 采用二维 U D E C 4 ． 0 软件．模型的边界条件采用位移固定边界，本构关系采用莫尔 一 库仑准则．当开挖步 距小于关键层初次破断距时 ，模型 中关键层不划块 ；当开挖步距超过关键层初次破断距时 ，模型中关键层 按其破断距划块．浅部与深部开采地表下沉与变形的数值模拟结果见表 3和图4 ． 表 3 浅部与深部 开采地表移动变形最大值 的数值模 拟结果 T a b l e 3 T h e m a x i mu m o f p a r a me t e r s o f s h a l l o w mi n i n g a n d d e e p mi n i n g f r o m n u me r i c a l s i mu l a t i o n 0 g 1 ．0 Ⅲ 】] t 一 2 ． 0 3 ． 0 8 }6 l z * m m 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 采 出宽度 ／m 图 4 浅部 与深 部开采地表最大 F 沉 和最大水平变形 的对 比 F i g ． 4 T h e c o n t r a s t o f s u b s i d e n c e ma x i mu m a n d h o r i z o n t a l d e f o r ma t i o n max i mu m b e t w e e n d e e p mi n i n g a n d s h all o w mi n i n g 由表 3和图4可以看出，不同采宽条件下地表最大下沉量和最大变形值随覆岩关键层破断的动态变化 特征．当采宽小于 2 0 0 m时 ，关键层 1 未破断 ，此时浅部与深部开采地表最大下沉量与最大变形值相近且 都较小．如采宽 1 5 0 m时，浅部与深部开采地表最大下沉量分别为0 ． 1 4 0 ， 0 ． 1 3 7 m，最大水平变形分别 为0 ． 1 5 5 ， 0 ． 1 1 6 m m ／ m ．当采宽2 0 0 m时，关键层 1 破断，此时浅部开采最大下沉量和最大变形值显著增 大并逐步达到充分采动，而深部开采受上部关键层 2和关键层 3 对地表沉陷的控制作用，地表最大下沉量 和变形值增幅相对较小．如采宽 2 5 0 m时，浅部与深部开采地表最大下沉量分别为 1 ． 7 6 5 ， 0 ． 6 1 6 m，最 大水平变形分别为 5 ． 7 4 4 ，0 ． 4 3 7 mm ／ m．当采宽达 3 0 0 m时，关键层 2破断 ，受上部关键层 3对地表沉陷 维普资讯 煤 炭 学 报 2 0 0 7 年第3 2 卷 的控制作用，地表最大下沉量和变形值增幅仍相对较小．当采宽达4 5 0 m时， 关键层 3 破断，此时深部开 采地表下沉量和变形值才显著增大并逐步达到充分采动． 上述分析表明，无论深部开采还是深部开采 ，覆岩主关键层破断前 ，地表最大下沉量和变形值都相对 较小，难以达到充分采动，只有覆岩主关键层破断后，地表最大下沉量和变形值才显著增大并逐步达到充 分采动．关键层 1为浅部开采的主关键层 ，关键层 3为深部开采的主关键层 ，由于关键层 3距离开采煤层 较远并受到下部关键层 1和关键层 2的保护作用 ，深部开采较浅部开采不易达到充分采动 ，如浅部开采采 宽大于 2 0 0 m后 ，地表沉陷就趋于充分采动，而深部开采采宽大于 4 5 0 m后 ，地表沉陷才趋于充分采动． 习惯上用采动充分程度 来评价地表沉 陷程度 ， D ／ H，D为采宽 ， 为采深．表 1和表 3分别列 出了实测和数值模拟中的n 值．由表 1 可见，浅部的 1 0 2 2工作面与深部的 11 1 0 2 2 工作面的 n值分别为 0 ． 3 8 ， 0 ． 3 6 ，二者的 值相近，地表沉陷程度也应相近，但二者地表下沉量和变形值却相差很大，前者最 大下沉量 1 ． 8 3 0 m，后者下沉量 0 ． 2 1 0 m，这是 因为浅部的 1 0 2 2工作面主关键层已破断，而深部 的 1 1 1 0 2 2 工作面主关键层没有破断．显然，此时用 并不能准确评价地表沉陷程度．表3 所列的数值模拟结果同样 也说明，用 值不能准确评价地表沉陷程度，如工作面长 1 5 0 m时，浅部 3 0 0 m采深与深部 8 0 0 m采深的 t b 值分别为0 ． 5 ， 0 ． 1 9 ，二者的 值相差较大，地表沉陷程度也应相差较大，但二者地表下沉量和变形值 却相近，前者最大下沉 0 ． 1 4 0 m，后者最大下沉 0 ． 1 3 7 m，这是因为浅部和深部开采的主关键层都没有破 断．再如 ，浅部 3 0 0 m采深在工作面长 1 5 0 m时的 0 ． 5 ，深部 8 0 0 m采深在工作 面长 4 5 0 1T I 时的 0 ． 5 6 ，二者的 值相近，地表沉陷也应相近，但二者地表下沉量和变形值却相差很大，前者最大下沉量 0 ． 1 4 m，后者最大下沉量 2 ． 4 6 m，这是因为前者的主关键层没有破断 ，而后者的主关键层 已破断． 上述分析表明，由于采动充分程度 值仅考虑了采宽 和采深 ，没有考虑覆岩关键层结构特征，因 此不能准确地评价地表沉陷程度． 3 结 论 1 深部开采地表沉陷特征与浅部开采相比存在明显差异深部开采地表沉陷不易达到充分采动； 充分采动后深部开采地表沉陷的最大下沉量和水平移动与浅部开采相近，但最大水平变形、曲率和倾斜明 显偏小． 2 深部开采覆岩关键层层数一般 多于浅部开采 ，深部开采覆岩主关键层位置距开采煤层距离一般 大于浅部开采．深部开采覆岩主关键层位置的改变和覆岩关键层层数增多导致 了深部开采地表沉 陷特征与 浅部开采的差异． 3 采动充分程度 值仅考虑了采宽D和采深 ，没有考虑覆岩关键层结构特征，不能准确地评价 地表沉陷程度． 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 何满潮．深部的概念体系及工程评价指标 [ J ] ．岩石力学与工程学报， 2 0 0 5 ，2 4 1 6 2 8 5 4 2 8 5 8 ． 何满潮，谢和平 ，彭苏萍 ，等．深部开采岩体力学研究 [ J ] ．岩石力学与工程学报， 2 0 0 5 ，2 4 1 6 2 8 0 3 2 8 1 3 ． 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