深部条带开采地表移动变形规律研究.pdf

I S SN 1 6 71 29 0 0 CN 4 3 1 3 4 7 ／ TD 采矿技术 第 1 3卷 第 4期 M i n i n g Te c h n o l o g y ，Vo 1 ． 1 3 ， No ． 4 2 0 1 3年 7月 J u l y 2 0 1 3 深 部 条 带 开 采 地 表 移 动 变 形 规 律 研 究 周振 亮 ， 任耀 1 - 山西寿阳潞阳昌泰煤业有限公司， 山西 晋中市0 4 5 4 0 0 ； 2 ． 重庆地质矿产研究院 外生成矿与矿山环境重庆市重点实验室， 重庆4 0 0 0 4 2 ； 3 ． 煤炭资源与安全开采国家重点实验室重庆研究中心， 重庆4 0 0 0 4 2 摘 要 以山西某矿 3 1 0 7 、 3 1 1 1 、 3 1 1 5条带开采工作面为工程实践背景， 在工作 面上方建 立地表移动观测站 ， 对受到采动影响的地表进行动态观测 ， 及时掌握其移动变形情况； 研 究其煤层开采 以后地表的移动规律 ， 并建立地表移动变形的 F l a c 如数值模拟计算模型， 研 究开采不同个数条带工作面条件下地表的变形破坏情况。 关键词 深部开采 ； 地表移动 变形 ； 条带开采 ； 数值模拟 1 工作 面及观 测线布置概况 采 3 。 上 煤层。 山西某 矿井 田东西 长 约 9 k m， 南 北 宽 约 1 1 k m， 井田面积 9 5 ． 2 7 3 k m 。本次研究区域为 3 1 0 7 、 3 1 1 1 、 3 1 1 5条带工作面， 工作面位 于井下 3 1 0 0采 区 上山以东 ， F 8 ， F 8 2断层 以南 ， 井下北部为 3 3 0 0采 区。3 1 0 0 采 区主要 可 采 煤 层 为 3 上 煤 层 ， 位 于 山西 组中、 上部， 下距 3 下煤层 0 ～3 7 ． 2 4 m， 距 三灰平均 8 6 ． 6 9 m， 属较稳 定 煤 层 。煤 厚 为 0 ～ 5 ． 0 2 m， 平 均 2 ． 4 7 m。该 煤 层结 构较 简单 ， 含 0 ～3层夹 石 ， 夹 石 岩性为泥岩和粉砂岩。煤层顶板多为泥岩 、 粉砂岩 ， 个别为中、 细砂岩 ； 底板多为泥岩 、 粉砂岩 ， 少数为炭 质泥岩。该面为 3 煤气煤 ， 煤层厚度 2 ． 6 ～3 ． 6 m， 平均 3 ． 0 m， 煤层结构简单 。煤层倾角在 1 。 ～1 3 。 之 间， 平均 8 。 ， 可采指数为 1 ． 0 ， 变异系数 1 2 ． 4 ， 煤层 普 氏硬度 系数 f一1 ． 8 。 为 了充 分 反 映 地 表 移 动 与 变 形 规 律 ， 该 矿 对 3 1 0 7 、 3 1 1 1 、 3 1 1 5条带工作 面开展了地表 岩移观测 工作 ， 利用 田间小路 ， 沿各工作面倾 向方 向布设 了 2 条观测线， 沿条带开采工作 面走 向布设 了 2条观测 线 ， 观测线布置如 图 1所示 。 倾向线 l 、 倾向线 2 、 走 向线 1 、 走 向线 2呈井字 形横跨 3 1 0 7 、 3 1 l 1 、 3 l 1 5三个条带工作 面。3 1 l 5工 作面采宽为 8 0 m， 工作面走 向长度为 4 5 0 m。3 1 l 1 面 采宽 为 1 0 0 r n ， 工 作 面 走 向长 度 为 9 5 0 m， 3 1 1 5 、 3 1 1 1工作 面 之间 留有 1 0 0 m 煤 柱 。3 1 0 7工 作 面 采 宽为 8 0 m， 3 1 0 7工作 面走 向长度为 9 8 5 1 T I 。3 1 l 1 、 3 1 0 7工作 面之 间 留设 1 2 5 m 煤 柱 ， 上述 工作 面均 开 图 1地表移动观测线布置 2 深部条带开采地表移动变形特征实测分析 地 表 移 动 变 形 的特 征 分 析 主 要 包 括 地 表 的 下 沉、 倾斜 、 水平移动 、 曲率以及水平变形 ， 由于篇幅有 限 ， 现仅 以倾 向 1 、 走 向 2观测线 分析地表下 沉情 况 ， 以倾 向 1 观 测线 分析 水平 移动 情况 ， 以走 向 2观 测线变形数据分析水平变形情况。 地 表倾 向 1观测线 的地 表下 沉 变 形 情况 如 图 2 所示 ， 从 图 中可 以看 出 ， 深部 条带 开采 和全采 的下沉 曲线类似， 都是随着工作面的推进 ， 地表沉陷值逐步 增 大 ， 地 表移 动盆 地 的范 围和移动 量也 是越 来越 大 。 矗 It -- 篓 图 2倾 向线 1观 测 站 不 同时 间下 沉 曲线 6 6 采矿技术 地表倾 向 1 、 走 向 2观测 线 的水 平 移 动 、 水 平 变 形情 况见 图 3 、 4所示 。从 图 中可 以得 到深 部条带 开 采水 平移 动和 变形 的 以下 特 征 倾 向观测 线 1的水 平移动曲线与充分采动时的水平移动曲线一致， 有 两个相反的最大水平移动值， 在盆地边界至拐点问 水平 移 动逐渐 增加 ， 从 拐 点 到 最 大下 沉 点 间 的水 平 移 动逐 渐减小 ， 直 至为 零 。拉 伸 和压 缩 区 以下沉 盆 地 最大 下沉 点为原 点对 称 。在下沉 盆地 拐点 附近移 动值 最 大 ， 盆 地 内各 点 的水 平 移 动方 向都 指 向盆地 中心。走向观测线 2因其布设较短 ， 只形成部分水 平移动 曲线 ， 但从 曲线形态上， 仍能看出其符合一般 水 平移 动 曲线规 律 。 2 0 0 一 ’ AI． 0 0 2 0 o 一 1 0 0 4 0 1 O O 一 2 0 一 3 o O 妻 图 3倾 向线 1观 测 站 不 同 时 间水 平移 动 曲线 图 4走 向线 2观测站不同时间水平变形 曲线 3 深部条带开采地表移动变形数值模拟分析 3 ． 1 数 值模 拟方 案及 模型 的建 立 3 ． 1 ． 1 模 型 的建 立 为 了研 究深 部条 带开采 覆岩及 地 表 的破 坏和 变 形情况 ， 本次数值模拟以肥城矿业集团梁宝寺煤矿 为依托 ， 采用直角坐标系， x o y平面取为水平面 ， Z轴 为铅直 方 向 ， 并且 规定 向上 方 向为正 ， 整个 坐标 系符 合右手螺旋法则 。以煤层倾 向为 X轴 ， 走向为 Y轴， 重力方 向为 Z 轴 。 条带开采范围为走 向 9 0 0 m， 倾 向 4 6 0 m。为 了消 除边 界效应 的影 响和 真实 的显示 出地 表沉 陷 的 实际情况， 走 向方向煤柱两侧各留 4 0 0 m 的煤柱， 倾向方 向煤柱两侧各 留 3 0 0 m 的煤柱 。煤层底板 方 向尺寸确 定 为底板 破 坏 深 度 以下 ， 即模 型 尺 寸为 1 2 00 m 1 5 0 0 m 8 0 0 m 。 3 ． 1 ． 2 模 型物 理力 学参数 的选取 本次数值模拟 以规律性探讨为 目的， 因此本次 模 拟模 型 以肥 城矿业 集 团梁宝寺 煤矿 的地质采 矿条 件为原型， 并对其进行了简化。模拟岩层从地表向 下 依次 是 第 四系表 土层 ， 砂质 泥岩 、 泥 岩互层 ， 中粒 砂 岩 、 粉砂 岩 互层 ， 老顶 粗砂 岩 ， 直 接顶 泥 岩 ， 煤 ， 煤 层底 板 为砂 质泥 岩。各 岩层 的物 理力 学参 数 见 表 1 。 表 1 工作面计算模型力学参数表 3 ． 1 ． 3 模拟方案的选取 本次模拟以开采 3个条带 工作面为例。采 宽 8 0 m， 留宽 1 1 0 m， 设计 采 出率为 5 O ， 煤 层倾 角 按 水 平计 算 。为使模 拟 结 果具 有 可 比性 ， 各 模 拟 方 案 的边界 条件 、 岩层参 数等其 它条 件均保 持相 同 。 根 据上述 条件 建立地 表下 沉三维 模 型 ， 见 图 5 。 图 5地表 下沉 三维 模 型 3 ． 1 ． 4 模 拟结果 的分 析 为研究开采不同个数条带工作面条件下地表的 变形 破坏情 况 ， 现特选 取开采 1 个 、 2个 、 3个条 带工 作 面的地 表 的下 沉 变形 、 走 向及倾 向 的水 平 移 动 变 形进 行分 析 ， 模 拟结果 如 图 6 ～8所示 。 通 过对 上述 各 方 案进 行模 拟 ， 得 出开采 条 带 个 数不 同时地表最 大下沉值 w ， 最大水平 移动值 U， 见表 2 。 周振亮 ， 等 深部条带开采地表移动 变形规律研 究 6 7 q ＼ 嘲 7 1 l ／／ ／ } ／ ● 0 ． ’ { 潜 f 1 l i 磷 T 、 j ● ．o 2 l 、， ＼ 癌釜l皇每啊l ／ 一 ～ 脚 霉笺置基 卜l ／ i i 图 6 开采 1 个 条带工作面地表下沉、 走 向及倾 向水 平移 动等值线 一下 ～ 、 ＼ 5 ● 玺 ／ } 毫 ； t l』 』蠊 ll } 霉 l } ＼＼ ～ ／ W f H {、 ＼ ； 幸 f l二 fl 一 、 誊 ／ ＼ 一 ／ 一 ～ I． O 一 【 ／ 毫 歹 嗵 、 ， ～日 ．0 5 t ● 图 7开采 2个条带工作面地表下沉 、 走向及倾向水平移动等值线 _ ， 二 I j_ 、 I 蘧 学 ． 薄 豸 i } _ 一 ， -／ ● l ， ／ ， ， 蒜 {{ ；} ； 誉 、 、 ． { ＼ ／ ／ ／ ．O 5 ～ 一 图 8 开 采 3个条 带工作面地表下沉、 走 向及倾 向水 平移 动等值线 表 2 不 同 开 采 方 案 下 沉 值 及 水 平 移 动 值 通过 表 2可 以 看 出 ， 在 采 深 、 采 宽 、 留宽 一 致 的 基 础 上 ， 随着 开采 条带 工作 面个 数 的增加 ， 其 引起 的 地表最大下沉值、 最大水平移动值也呈递增趋势 ， 且 其影响范围也随之扩大 ， 虽然 三个开采方案 的变形 数值大小不一 ， 但其整体变形趋势是一致 的 对于采 空 区顶 板 附近 的岩 层 ， 由 于 开采 空 间 的前 后 两 侧 有 岩体的支撑作用 ， 相 同埋深处 的上覆岩层 ， 在跨度中 间处产生最大变形 ， 该 变形 随着 向两侧移动逐渐降 低 且 采空 区上部 岩层 的竖 向位 移等值 线 呈现 出对称 弧形 。在数值方面 ， 开采两个条带 比开采一个条带 最大 下 沉值 增大 了 1 2 7 ， 水平 移 动值则 增 大 了 1 2 2 ， 增值幅度大致相等 ； 开采三个条带 比开采两 个条带最大下沉值增大了 3 1 ， 水平移动值则增 大 了 2 4 ， 增值 幅度 有所 降低 ， 可 以发 现 ， 随着 开采 条 带 工作 面个 数 的增 多 ， 其 地 表 的变 形 值 变 化率 有 所 减 小 。 上 述分 析显示 ， 条 带工 作面 开采个 数 ， 对地 表下 沉 的预 测具 有较 大影 响 ， 不 同条 带 工 作 面 开采 个 数 地 表变 形 值 大 小 不 一 ， 但 其 移 动 盆 地 的 特 征 是 一 致 的 。 4 结 论 1 煤 层开 采 后 ， 其 上 覆 岩 层 向下 产 生 连 续 位 6 8 采矿技术 2 0 1 3， 1 3 4 移 ， 在顶板附近， 上覆岩层的竖 向位移最大， 随着逐 渐靠近地表 ， 覆岩层的位移逐渐降低 。在地表处 ， 距 离 开采 空 间最远 ， 相较 于其 它深度 岩层 ， 位 移最 小 。 2 分析了不同条带工作面开采分别为 1 个 、 2 个 、 3个 时对 地表移 动变形 的影 响 ， 其 对 应 的最 大下 沉值分别为 0 ． 2 4 6 ， 0 ． 5 5 9 ， 0 ． 7 3 2 m， 最大水平移动 值则 分别 为 0 ． 1 2 ， 0 ． 2 6 7 ， 0 ． 3 3 1 m， 研 究 表 明 ， 不 同 条带工作面开采个数地表变形值大小不一 ， 但其移 动 盆地 的特征 是一致 的。 参考文献 [ 1 ] 栾元重 ， 等． 动态变形观测与预报[ M] ． 北京 中国农业科学技 术 出 版 社 。 2 0 0 7 ． [ 2 ] 李东印 ， 任耀 ， 姜敏． MS DF VS系统在开采沉 陷预测 中的 应用[ J ] ． 煤矿安全 ， 2 0 1 2 ， 4 3 7 1 1 3 - 1 1 5 ． E 3 ] 孙祥畅， 栾元重 ， 颜世英 ， 等．曲线拟合 与插值模 型在矿 区变 形预测 中的应用口] ． 有 色金属 矿 山部分 ， 2 0 1 2 ， 6 4 1 6 6 6 9 ． [ 4 ] 任耀 ， 李 晓辉 ， 姜敏． 特 厚煤层综放 开采地表移动 规律实 测研究[ J ] ． 采矿技术 ， 2 0 1 2 ， 1 2 3 6 5 6 8 ． E 5 ] 黄福吕 ， 倪 型华 ， 等． 厚煤层综放开采沉陷与治理技术[ M] ． 北 京 煤炭工业出版社 ， 2 0 0 7 ． 收 稿 日期 2 0 1 3 - 0 4 2 2 作者简介 周振亮 1 9 8 1 一 ， 男 ， 江苏新 沂市人 ， 助 理工程师 ， 主要从 事 煤 矿 地测 方 面 的工 作， E ma i l r e n y a o 0 2 1 6 1 6 3 ． coI TI 上接 第 4 8页 当 H 1 ． 5 H。 时 ， 地 基稳 定 。建 筑 物 基 底 单 位 压 力 P。 分 别 按 8 0 ， 1 8 0 ， 2 4 0 k P a 进 行 计 算 ， H。 分 别 为 1 4 ． 3 ， 1 9 ． 3 ， 2 0 ． 8 m， 1 ． 5 H0 分别为 2 1 ． 5 ， 2 8 ． 9 ， 3 1 ． 2 m。 工区和 Ⅱ区采空深度大于 5 0 m， 巷道埋深大于 1 ． 5倍临界深 度， 但在外在 因素 如地下水 作用下 存在 “ 活 化” 的可能 ， “ 活化 ” 后 对 工区的影 响程 度轻 微 ， 对 Ⅱ区 的影 响程 度较 大 。 4 Ⅲ区。地下煤层未 开采 ， 但受邻近采空塌 陷区的影响 ， 影响程度轻微 。 5 结 论 1 评 价场地位于多层采 空区及其影 响范 围 内 ， 场地 下 的 3煤 、 7 煤 进行 了长 时 间的 开采 、 复 采 。 3煤露头线 以北区域 I区 ， 地基 已相对稳定 ， 在采 取结构抗变形措施后作为单层厂房、 多层办公建筑 的建设 用地是 基本 适宜 的 。 2 3煤 、 7煤 露 头线 附 近 区域 Ⅱ区 ， 受 采 空 塌 陷影 响较 大 。未 经 处 理 ， 不 能 作 为重 要 建 筑建 设 用 场地 。 3 根 据采 空 区地 表影 响范 围 、 地 表塌 陷 现状 、 地表移动变形情况将 Ⅱ区分为三个亚区， 即 3煤采 空影响带 Ⅱ一1区 、 3 煤和 7煤巷道影响区 Ⅱ一2 区 ， 7煤采空影响带 1 I一3区 。 Ⅱ一1区地基稳 定性差 ， 一般建筑应避让， 在采取一定地基处理措施 后可作为成品展示、 存放、 调试 区的建设场地 。Ⅱ一 2区、 Ⅱ一3区地基稳 定性较 差 ， 作 为单 层厂房 、 低层 办公 建筑 的建设 用 地是 基 本 适 宜 的 ， 但 应 采 取 一 定 结 构抗 变形措 施 。 4 场 地 7煤露 头 线 以南 区 域 Ⅲ区 ， 为 地 基 稳定区域， 作为工程建设用地是适宜的。 5 建 设单 位 采 纳 了评 价 研 究 成 果 ， 调 整 了建 筑布 局 ， 避开 地基稳 定性 差 区域 。 目前 ， 厂 区已投入 使用近两年 ， 根据沉降观测资料 ， 总沉降量在 5 ～1 2 mm， 采 空 区地 基稳定 性 良好 。 参考文献 [ 1 ] 腾永海 ， 张俊英 ． 老 采空 区地 基稳 定性 评 价 E J ] ． 煤 炭学 报 ， 1 9 9 7， 2 5 5 5 0 4 5 0 8 ． [ 2 ] 常江． 老采空区上方建筑 物地基稳定 性的研究 [ J ] ． 西安矿 业学 院学报 ， 1 9 9 5 ， 1 5 1 2 9 3 3 ． [ 3 ] 钱 自卫 ， 吴慧蕾 ， 姜振泉． 老采空 区高层 建筑物地基 稳定性综 合评 价口] ．湖南科技大学学 报， 2 0 1 1 ， 2 6 1 5 8 6 2 ． [ 4 ] 邓喀中 ， 郭广礼 ， 谭志祥 ， 等． 采动区建筑物移动变形特性 分析 口] ．中国矿业大学学报 ， 2 0 0 1 ， 3 0 4 3 5 3 8 ． [ 5 ] 刘秀英． 荷 载作用下老采空 区地 表移动规律 的试验研究 [ J ] ． 太原科技大学学报 ， 2 0 1 0 ， 3 1 1 4 9 5 4 ． [ 6 ] 国家煤炭工业 局．建筑物、 水体 、 铁路及主要井巷煤 柱留设与 压煤开采规程[ M] ．北京 煤炭工业 出版社 ， 2 0 0 0 ． 收 稿 日期 2 0 1 3 - 0 4 1 4 作者简介 李 维 1 9 8 4 一 ， 男， 江苏铜 山人 ， 硕士 ， 工程 师 ， 主要 从事岩土工程 方面的研 究， E ma i l 1 3 9 5 2 1 8 2 0 4 8 1 3 9 ．