浅埋煤层开采地表下沉影响因素分析

浅埋煤层开采地表下沉影响因素分析
摘要：煤炭资源是一种不可再生资源，在我国的能源消费结构中一直占据主导地位，为保障煤炭资源的充足供应，现阶段我国煤炭开采的重心已经转移至西部的晋陕蒙地区。

该地区煤层具有埋藏浅、开采厚度大等特点，但随着煤炭资源的大量开发，其诱发的地表沉陷和塌陷情况增多，准确预计煤层开采过程中地表下沉量已成为治理采动塌陷区的关键。

基于此，本文主要对浅埋煤层开采地表下沉影响因素进行分析探讨。

关键词：浅埋煤层开采；地表下沉；影响因素
1、正交实验法
1.1数值模拟
采用FLＡＣ3Ｄ软件进行数值模拟，主要研究毛乌素沙漠区浅埋煤层开采下不同基岩厚度、松散层厚度及开采厚度对地表最大下沉值的影响情况。

假设煤矿基本地质条件如下:开采厚度为４m的水平煤层，基岩厚度为80m，松散层厚度为４0m。

1.2实验设计及结果分析
为分析基岩厚度H、松散层厚度h及开采厚度m在不同条件下对地表最大下沉值wmax的影响程度，采用正交实验法进行分析，将3个因素的取值范围分为3个水平，各影响因素及水平取值如下：
水平1的开采厚度为4m，基岩厚度为80m，松散层厚度为40m；
水平2的开采厚度为5m，基岩厚度为90m，松散层厚度为50m；
水平3的开采厚度为6m，基岩厚度为100m，松散层厚度为60m；
假设各个因素没有交互，即计算次数L9(33)=9次，实验方案及地表最大下沉值计算结果基岩厚度H>松散层厚度h>开采厚度m，其中基岩厚度远大于松散层厚度和开采厚度的极差Rx，说明毛乌素沙漠区浅埋煤层开采下的基岩厚度H是影响地表最大下沉值wmax的主要因素，即该因素对地表最大下沉值wmax起主要控制作用。

2、影响因素分析
由上述分析可知，相对于松散层厚度h和开采厚度m，基岩厚度H是影响地表最大下沉值wmax的主要影响因素，为获得3个因素与地表最大下沉值wmax 之间的具体关系，采用控制变量法进一步分析三者对地表最大下沉值wmax的具体影响。

2.1基岩厚度对地表下沉值的影响
为分析基岩厚度H对地表最大下沉值wmax的具体影响，共设计8个模拟方案，通过固定松散层厚度h(４0m)及开采厚度m(４m)2个因素，只改变基岩厚度H(60、７0、80、90、100、110、120、130m)，获得不同基岩厚度条件下的地表最大下沉值模拟结果和地表最大下沉值wmax曲线。

地表最大下沉值wmax随基岩厚度H的增加而减小，递减率由19．2%逐渐减小并在基岩厚度H大于120m时地表最大下沉值wmax基本达到稳定。

这是由于在开采过程中煤层上方基岩中的厚硬岩层形成的关键层对地表的移动变形起到了控制作用。

当基岩厚度相对较薄时，一方面基岩中的关键层也相对较薄，另一方面关键层有可能位于垮落带，即开采时关键层发生破断，无法承载上覆荷载，因
此在基岩厚度H相对较小时，地表最大下沉值wmax较大。

随着基岩厚度H增加，基岩中的关键层开始相对变厚，即在一定范围内关键层可以承载部分上覆荷载，
因此地表最大下沉值wmax减小。

当基岩厚度H相对较大时，基岩中的关键层也
相对较厚，即开采时关键层可以完全承载上覆荷载而不产生破断，因此基岩厚度
相对较厚时，地表最大下沉值wmax达到稳定。

2.2松散层厚度对地表下沉值的影响
为分析松散层厚度h对地表最大下沉值wmax的具体影响，共设计6个模拟
方案，通过固定基岩厚度H(80m)及开采厚度m(４m)2个因素，只改变松散层厚
度h(４0、50、60、７0、80、90m)，获得不同松散层厚度条件下的地表最大下沉
值wmax模拟结果和地表最大下沉值曲线，随着松散层厚度h的增加，地表最大
下沉值wmax基本成线性增大，这是由于松散层自身强度极低，不能起到承载作
用而只能作为荷载作用在关键层上，因此基岩中的关键层起到控制上覆岩层的移
动变形作用。

开始时松散层厚度h相对于基岩厚度H较薄，关键层相对较厚，其
承载能力也较强，因此地表最大下沉值wmax缓慢增加。

当松散层厚度相对于基
岩厚度开始变大时，基岩中的关键层变得相对较薄，其承载能力有所减弱，随着
松散层厚度h的增加，其作用在关键层上的荷载也就越大，基岩压缩量越大，地
表下沉量也就越大，当关键层承受的荷载大于其自身极限强度时，关键层发生破断，则关键层无法支撑上覆岩层，因此松散层厚度h越大则地表下沉系数越大，
直至产生切冒现象。

2.3开采厚度对地表下沉值的影响
为分析开采厚度m对地表最大下沉值wmax的具体影响，共设计5个模拟方案，通过固定松散层厚度h(４0m)及基岩厚度H(80m)2个因素，只改变开采厚度
m(3、４、5、6、７m)，获得不同开采厚度条件下的地表最大下沉值模拟结果和
地表最大下沉值曲线，地表最大下沉值wmax随开采厚度m的增加呈小幅度增大
趋势。

这是由于当开采厚度m较小时，垮落带高度也较小，关键层可能并未发生破坏，基岩层较稳定，此时地表下沉值较小。

随开采厚度m增大，垮落带高度开始增大，基岩层中的关键层开始发生破坏，致使地表最大下沉值wmax增大。

3、工程实例
基于上述数值模拟结果，通过回归分析建立地表最大下沉值wmax与基岩厚
度H、松散层厚度h和开采厚度m3个基本影响因素的综合函数表达式:
式中:M为埋深，m;R2为拟合度。

由上可以看出，地表最大下沉值wmax与开采厚度m和松散层厚度h成正比，与基岩厚度H成反比，也间接反映了3个因素对地表最大下沉值wmax的作用影响。

式(４)拟合度虽然高于拟合实际意义的规定值(0．85)，但由于基岩厚度H是
地表最大下沉值wmax的主要控制因素，当基岩厚度H足够大时，松散层厚度h
及开采厚度m对地表最大下沉值wmax的影响较小，因此式(４)拟合度并不高。

为检验综合函数表达式的可信度，以韩家湾煤矿及哈拉沟煤矿为例进行验证。

韩
家湾煤矿230４工作面基本地质条件为:煤层开采厚度４．5m，煤层上覆基岩厚度７0m，松散层厚度65m，地表下沉系数0．56;哈拉沟煤矿22４0７工作面基本地
质条件为:煤层开采厚度5．４m，煤层上覆基岩厚度62m，松散层厚度59m，地
表下沉系数0．62。

采用式(４)对煤层开采地表下沉值进行计算，计算值与实测值相比虽有一定的误差，但总体上可信度较高，因此对于类似地质条件下煤层开采
地表移动变形计算预计具有一定的参考价值。

4、结论
1)通过FLＡＣ3Ｄ软件进行数值模拟及正交实验法进行分析，得到毛乌素沙漠区浅埋煤层开采下地表最大下沉值影响因素的影响程度排序为:基岩厚度H>松散层厚度h>开采厚度m，其中基岩厚度相对于松散层厚度和开采厚度是地表最大下沉值wmax的主要影响因素，对地表最大下沉值wmax起主要控制作用。

2)基于数值模拟结果，借助数学软件通过回归分析拟合得到地表最大下沉值wmax与H、h、m3个因素的综合函数表达式并通过工程实例予以验证，其可信度较高，可为类似地质条件下煤层开采地表移动变形计算预计提供参考。

参考文献：
［1］张文泉，刘海林，赵凯，等.厚松散层薄基岩条带开采地表沉陷影响因素研究［J］.采矿与安全工程学报，2016，33（6）：1065-1071.
［2］汤铸，李树清，黄寿卿，等.厚松散层矿区综放开采地表移动变形规律［J］.煤矿安全，2018，49（6）：210.。