三維物理模型模擬深部巨厚礫巖下綜放開采地表移動

柴敬 雷武林 李昊 袁強 張丁丁 張吉

摘?要：為了研究深部開采巨厚礫巖關鍵層對礦山地表移動變形的影響機理。以千秋煤礦為背景，采用三維物理模型試驗，利用壓力傳感器、多點位移計、分布式光纖傳感等多種手段監測了覆巖及地表移動變形動態演化過程，對采動巨厚礫巖與礦山地表移動變形的內在聯系機理進行了研究。結果表明，分布式光纖可準確監測到關鍵層和地表的移動變形量，巨厚礫巖作為主關鍵層，控制著地表移動變形，并有效減緩了覆巖變形由下向上傳遞給地表，且由于煤層埋藏深度大，主關鍵層未破斷，地表下沉量和變形值都較小;預測隨著工作面繼續推進，巨厚礫巖主關鍵層將會達到極限跨距而破斷失穩，采場將發生強礦壓動力顯現現象，地表出現臺階性下沉，甚至會產生地表裂縫。

關鍵詞：巨厚礫巖;地表移動變形;關鍵層;三維物理模型

中圖分類號：TD 327

文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2020）02-0204-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2020.0203開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Simulate of the surface movement of fully-mechanized

caving mining under the deep thick conglomerate

using 3D physical model

CHAI Jing1，2，LEI Wu-lin1，3，LI Hao1，YUAN Qiang4，ZHANG Ding-ding1，2，ZHANG Ji1

（1.College of Energy Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

2.Key Laboratory of Western Mine Exploitation and Hazard Prevention，Ministry of Education，

Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

3.College of Energy Engineering，Longdong University，Qingyang 745000，China;

4.College of Resource and Environmental Science，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

Abstract：In order to study the influence mechanism of the key stratum of huge-thick conglomerate deep mining on ground surface movement and deformation，the Qianqiu Coal Mine was taken an example in this paper.The three-dimensional physical model test was used to monitor the dynamic process of mining overburden and ground surface movement by means of pressure sensor，multi-point displacement meter and distributed optical fiber sensor，thus exploring the intrinsic relationship between deformation of huge-thick conglomerate and surface movement.The results show that the distributed optical fiber sensing technology is suitable for the ground surface movement and deformation monitoring in physical model test.As the main key stratum，the huge-thick conglomerate controls the ground surface movement and effectively slows down the deformation of the overburden from the bottom to the surface.And the depth of the coal seam is large，the huge-thick conglomerate is not broken and unstable，the maximum subsidence and deformation value of the surface are

comparatively

smaller due to its protection.It is predicted that as the working facecontinues to advance，the huge-thick conglomerate would break and lose stability when it reaches the ultimate span，the dynamic phenomena of strong rock pressure occur in the stope，and the surface subsides would appear stepped subsidence and even ground fissures.

Key words：huge-thick conglomerate;surface movement and deformation;key stratum;three-dimensional physical model

0?引?言

煤炭開采地表沉陷已引發嚴重的社會和環境問題，給煤炭在人民心中的形象帶來極大的負面影響，也極大地制約煤炭行業健康發展[1-2]。近年來，隨著煤炭資源開采深度由淺部200～300 m逐漸發展到深部700～800 m，礦井采礦地質力學環境發生明顯改變，使得采動地表移動變形機理更加復雜，特別是特厚煤層的綜放開采或大采高，采動后地表移動變形量大、沉降速度快、影響范圍廣，易出現地表斑裂、臺階下沉、塌陷坑等非連續地表變形問題，給礦區地表生態環境造成嚴重損害[3-5]。

為了減輕深部煤炭資源開采地表損害，保證煤炭資源安全綠色開采，許多專家學者對此做了大量的研究工作。劉天泉研究了地表變形的一般規律，分析了巖性、水文地質、傾角、地形及構造對地表變形的影響[6];鄒友峰等基于地表移動變形的基本假設，推導出水平煤層及傾斜煤層采動地表移動變形的數學模型[7];吳侃應用時序建模對采動地表移動變形預計的概率積分法基本參數進行優化，建立了地表沉陷動態預計模型，該模型可對未開采區域的參數進行預計[8]。余學義基于地表沉陷動態預計數學模型，開發了YLH-8開采沉陷預計評價軟件，是早期預計評價地表變形破壞的先進工具之一[9]。曹麗文研究了基于GIS的人工神經網絡在開采沉陷預計的應用，應用BP神經網絡訓練方法對地表沉陷進行建模，結合實測數據，對預計誤差進行了定性分析[10];鄧喀中建立了深部開采時不充分采動條件下地表沉陷概率積分法預測參數的計算公式，給出了深部寬條帶開采的設計依據及控制沉陷方法[11]。地表移動變形預計方法可有效指導開采沉陷治理，但預計效果與實際測量值常常具有一定的偏差，因而部分學者開始嘗試從巖層內部移動變形機理研究地表沉陷問題。錢鳴高于1996年首次提出巖層移動與控制的關鍵層理論，突破了傳統采動地表移動變形研究的局限性，打開了地表沉陷研究的新視角[12]。許家林對比分析了覆巖移動與地表沉陷資料，在此基礎上采用物理模擬和數值計算方法，探究了覆巖關鍵層對地表下沉動態影響過程[13];劉玉成基于關鍵層理論，用彈性薄板理論選取了地表沉陷盆地形狀的撓曲函數，并建立了緩斜煤層開采沉陷盆地的力學模型，并討論了模型的參數選擇和適用性[14];郭文兵運用三維數值模擬軟件分析了不同推進尺度下覆巖塑性區與垂直位移云圖，對比分析地表沉降動態過程，得出覆巖破壞邊界呈正八字型，地表移動邊界呈倒八字型，覆巖及地表最終呈類沙漏型移動變形邊界[15];王金莊以礦山實測資料為基礎，采用物理相似材料模擬試驗，揭示了厚松散層地表變形和巖體內部移動破壞機理及內在聯系[16];王利對華豐礦巨厚覆巖下采動地表變形實測數據進行分析，發現巨厚覆巖下采動地表存在連續性下沉和反彈，及地表非連續變形的斑裂現象[17];李春意深入分析了大采深巨厚關鍵層開采條件下地表移動變形異常的原因，得出受關鍵層控制作用，在整個地表監測過程中，地表一直處于緩慢下沉狀態，沉降速度的反彈可作為關鍵層破斷的依據，也可作為沖擊地壓危險的預報信息[18];于秋鴿將采場覆巖簡化為松散層、關鍵層、關鍵層下部軟弱巖層3部分，基于關鍵層理論建立地表偏態下沉模型，分析巖層碎脹系數、關鍵層高度、關鍵塊長度等對下沉偏態程度的影響[19]。

但對于豫西礦區這種埋深近千米，采厚十幾米，覆巖中存在幾百米厚的礫巖層特殊地質情況，國內研究較少，開采引起的地表移動變形規律和機理尚不明確，需進一步加強研究。

通過分析千秋煤礦采礦地質條件，在實驗室構建三維物理模型，模擬深部巨厚礫巖下特厚煤層開采覆巖關鍵層和礦山地表移動變形動態過程，并采用分布式光纖傳感監測與傳統監測手段對采動覆巖及地表移動進行實時監測。深入分析對比光學監測數據與傳統監測數據之間的聯系及優缺點，探究分布式光學傳感監測礦山地表移動變形的適用性;研究巨厚礫巖關鍵層和地表移動變形之間的內在聯系，揭示巨厚礫巖關鍵層對礦山地表移動變形的控制作用機理，為豫西礦區的地表損害治理提供一定理論依據。

1?地質采礦條件

義馬煤業集團千秋煤礦地處河南省義馬市南部新區，礦井生產能力為210萬t/a，主要可采煤層為2#煤，煤層結構較復雜，局部含有加矸，完整性差，具有一定沖擊性;試驗工作面開采的2#煤層平均厚度約為16 m，傾角為3°～11°，平均埋深約800 m，屬于埋深大的近水平特厚煤層;工作面傾向長度約為130 m，走向推進長度約為1 485 m，開采方式為走向長壁綜放開采，采用全部垮落法管理頂板，無大斷層等地質構造，地質條件相對簡單。

2#煤層直接頂為泥質砂巖、泥巖，厚度為23.1～27.6 m，平均約為25.4 m;直接底為含碳質的煤矸互疊層，平均厚度約為5.3 m，強度較低;2#煤層上方約112 m位置發育一層厚度約40.6 m的細砂巖，彈模為3.4×104 MPa，抗拉強度為6.5 MPa，抗壓強度為70.0 MPa，為礦井上覆巖層的亞關鍵層;2#煤層上方約225 m位置發育有厚度約為410.5 m的巨厚礫巖，巖體整體性好，完整性參數約為0.88，中部存在約1 m的軟弱夾層將其分為上下2組，屬于典型的巨厚堅硬巖層，為礦井上覆巖層的主關鍵層。地表為丘陵地帶、溝谷發育、地形復雜，多為土黃色粉砂質粘土和黏土層，常保留不全，中下部為磚紅色砂質粘土、鈣質砂姜粘土和含礫粘土，常出露地表，厚度約為15.2 m;試驗地層柱狀示意圖如圖1所示。

2?物理相似模擬試驗設計

2.1?模型設計

試驗條件以千秋煤礦綜放工作面為原型，參照煤系地層鉆孔柱狀圖，結合煤巖物理力學性質，依據物理相似模擬實驗室現有的三維試驗臺尺寸（3 600 mm×2 000 mm×2 200 mm）及試驗目的，根據相似原理確定出幾何相似比αL=1∶400，容重相似比αγ=1∶1.6，應力相似比ασ=1∶640，時間相似比αt=1∶20.根據煤巖地層的強度變形參量，試驗材料選用河砂、粉煤灰、黏土為骨料，石膏、大白粉（碳酸鈣）為膠結材料，云母粉為分層材料，水為拌合物。在正交試驗的基礎上確定出各巖層材料的配比號及材料消耗量，見表1.

2.2?模型鋪裝

三維模型鋪裝與常規二維模型鋪裝基本流程一樣，唯一區別三維模型材料用量大、人工勞作強度

大;本試驗采用自動攪拌機、上料機和振動打夯

機，有效減輕試驗勞動強度。試驗鋪設最大難點是內部位移計的布設、傳感光纜的埋設、煤層的開挖;內部位移測點布設采用預埋垂直測管，在觀測巖層位移布置測點，利用漁線引出測點的方法;傳感光纖埋設時，提前在模型架護板打孔，以便光纖引出，鋪設時給予一定預應力，保證光纖水平或垂直;煤層用鍍鋅方管替代，每次抽出一根方管即代表煤層開發一次。模型正面用透明亞克力板加槽鋼固定，其它三面采用剛性側護板和鐵板密封，如圖2所示。

2.3?測試系統

2.3.1?內部位移測量裝置

內部位移測量裝置由測管、漁線（測線）、位移測點、讀數刻度盤、滑輪和支架等組成，結構如圖3所示。其原理為預埋在巖層中的位移測點與巖層同步變形，當測點位移發生變化，拉動漁線帶動讀數刻度盤旋轉，刻度盤轉角產生變化?？潭缺P旋轉角與測點位移量的換算關系為式中?ω為測點位移量，mm;φ為刻度盤旋轉角度，（°）;r為滑輪半徑，mm.立體模型中，分別在工作面上覆巖層中沿走向布置3套測量裝置（分別距離切眼600，1 200，1 800 mm），每套測量裝置上的2個測點分別位于亞關鍵層細砂巖中部、主關鍵層巨厚礫巖中部（高度分別為460，1 380 mm），共計布設12個測點，具體分布位置如圖4所示。

2.3.2?傳感光纖監測系統

根據模型試驗巖層變形監測需求，模型中鋪設直徑為2 mm的聚氨酯緊套傳感光纖，與相似材料耦合性好，應變傳遞性能高;傳感光纖沿模型走向布設，分別在亞關鍵層、主關鍵層、地表粘土層中部分別布設傳感光纖，采用預埋方式布設。傳感光纖感知信號選用NBX-6055光納儀采集，基本設置為采樣間隔1 cm，空間分辨率5 cm，掃頻范圍10.65～10.95 GHz，平均化次數213，脈沖寬度1 ns;監測系統如圖5所示。

2.4?模型開挖及數據采集

模型鋪裝完成后，待自然風干6個月達到試驗強度要求，則開始進入試驗準備階段，將模型中鋪設的光纖全部熔接串聯在一條回路上，節省采集數據時間成本;然后開始對光纖進行定位，采用溫度加熱定位法確定分布式光纖監測位置;待定位完成后，對模型光纖的初始頻移進行采集，采集3次，取均值。再對壓力傳感器、內部位移測點初始值進行記錄，則所有監測系統初始值測試完畢。最后開挖煤層，每開挖一次，待垮落穩定后，開始進行分布式光纖傳感監測，內部位移計和壓力傳感器數據采集，開挖時間、距離等信息記錄，全部完成后再進入下一個開采循環。整個試驗共開采120次，直至開采結束。

3?試驗結果分析

3.1?支承壓力測試

工作面每開挖一次，記錄一次壓力值，其峰值變化如圖6所示。當開采至200 mm時，第1次峰值為45.6 MPa;隨后繼續開采峰值周期性減小、增大，峰值基本在42.3～52.7 MPa范圍內;當開采至920 mm時，峰值出現第1次大的跳躍，第1次峰值約為77.5 MPa，即為亞關鍵層細砂巖第1次破斷引發的;當開采至1 360，1 920，2 320 mm時，亞關鍵層細砂巖在該位置發生周期性破斷，分別出現第2次峰值68.4 MPa，第3次峰值95.8 MPa，第4次峰值65.6 MPa;第3次破斷時，峰值最大，因為第3次破斷時主關鍵層也發生破斷，最大峰值是由亞關鍵層和主關鍵層破斷共同引發的。工作面支承壓力峰值呈現一大一小周期性變化，說明煤層上覆巖層存在若干層堅硬巖層，控制著巖層的變形，其不同破斷或斷裂距離帶來支承壓力峰值的不同變化規律。

3.2?內部位移測試

模型開挖過程中，覆巖內部測點位移變化曲線如圖7所示，縱坐標是位移測點的垂直位移量，橫坐標是工作面開挖距離。1-A1，1-A2，1-A3測點位于亞關鍵層細砂巖中部，3個測點垂直位移曲線基本呈臺階狀變化，均出現了3次突變，測點1-A1分別在600，960，1 360 mm位置發生突變，對應的垂直位移分別為2.2，8.8，13.3 mm;測點1-A2分別在1 200，1 360，1 840 mm位置發生突變，對應的垂直位移分別為3.8，7.5，13.7 mm;測點1-A3分別在1 800，1 960，2 280 mm位置發生突變，對應的垂直位移分別為3.3，5.4，8.9 mm;最大峰值為13.7 mm，垂直位移突變位置960，1 360，1 840，2 280 mm也與細砂巖破斷位置相吻合;1-B1，1-B2，1-B3測點位于主關鍵層巨厚礫巖中，3個測點垂直位移趨勢均是前期保持不變，后期逐漸增大到最大值保持穩定，垂直位移峰值分別為4.5，5.4，4.2mm，對應的開采位置分別為1 840，1 880，2 320mm;1-C1，1-C2，1-C3測點位于地表粘土層中，峰值分別為4.25，5.10，3.95 mm，對應的開采位置分別為1 840，1 880，2 320 mm;3個測點垂直位移變化趨勢與主關鍵層距離礫巖變化趨勢相同，但垂直位移值整體較巨厚礫巖偏小，出現峰值的開采距離較巨厚礫巖偏大，說明巨厚礫巖作為主關鍵層控制著地表的移動變形，地表移動變形滯后于地下覆巖變形。

3.3?光纖傳感測試

工作面推進過程中，亞關鍵層細砂巖的傳感光纖應變表征如圖8所示。在推進距離0～520 mm范圍內，光纖應變值未發生明顯波動變化;當推進距離為560 mm時，光纖應變曲線開始明顯波動，峰值為542 με，處于拉應力區;工作面繼續推進，應變值呈遞增趨勢，當開采至920 mm，光纖應變曲線由單峰狀變為雙峰狀，峰值為8 832 με，說明亞關鍵層發生初次破斷，兩側破斷位置的拉應力較大，整體受拉應力作用。隨著工作面繼續向前推進，雙峰曲線影響范圍不斷擴大，左側峰值前移，峰值呈周期性變化，分別在1 360，1 840，2 320

mm位置出現應變峰值，即亞關鍵層周期性破斷位置。

工作面推進過程中，主關鍵層巨厚礫巖的傳感光纖應變表征如圖9所示。工作面由切眼位置沿走向開始推進，在推進至760 mm前，光纖應變未產生明顯變化;在800～1 800 mm時，光纖應變曲線呈單峰狀，且影響范圍不斷擴大，峰值不斷增大，達到最大峰值為3 319 με;工作面繼續推進，應變峰值有一定回落，峰值為2 816 με;說明巨厚礫巖應變在1 840 mm達到最大峰值，在此位置發生了斷裂，但峰值曲線仍為單峰狀，這是由于巨厚礫巖厚度大、距離煤層遠，且中間有1 m軟弱夾層，斷裂未貫穿整個關鍵層厚度，僅僅軟弱夾層下部發生破斷，即主關鍵層未破斷失穩。

工作面推進過程中，地表粘土層的傳感光纖應變表征如圖10所示。工作面推進距離在0～760 mm范圍內，由于埋藏深，巨厚礫巖層控制作用，地表未發生移動變形，傳感光纖應變曲線未產生明顯變化;當推進距離在800～1 320 mm范圍內，光纖應變曲線變化明顯，基本呈單峰狀，光纖整體受拉應力作用，且隨開采距離增加，應變曲線影響范圍不斷擴大，峰值不斷增大，峰值由458.43 με增大至1 304.60 με，說明隨著開采范圍的增大，地表的影響范圍不斷擴大，下沉量不斷增大，反映地表沉陷盆地動態變化的過程。當推進至1 360 mm，光纖應變曲線由單峰狀變為雙峰狀，且峰值增大為1 888.95 με，中部應變減小，說明地表下沉盆地形成后，在下沉盆地邊緣處受拉，在盆地中部受壓;當推進至1 840～1 960 mm時，應變峰值徒增，最大峰值為2 344.85 με，說明此時地表移動變形劇烈，產生較大變形;當推進距離由2 000～2 400 mm時，變化幅度較小，最大峰值基本穩定在2 592.50～2 892.50 με之間，說明巨厚礫巖破斷后并未失穩，仍成一定結構控制上覆巖層，有效的阻礙了地表移動變形進一步發展，對地表移動變形起了很好的控制作用。因模型尺寸受限，若繼續推進，當推進尺寸達到主關鍵層巨厚礫巖的失穩破斷距離，地表會發生劇烈大變形，甚至會出現較大裂縫，帶來一系列地表采動損害。

3.4?監測對比分析

將壓力傳感器獲得的支承壓力峰值曲線與光纖感知的亞關鍵層應變峰值進行對比分析，如圖11所示。在推進距離2 400 mm范圍內，光纖傳感監測到分別在920，1 360，1 840，2 320 mm位置處，亞關鍵層細砂巖發生了4次破斷，應變曲線也出現4次峰值，對應位置支承壓力也出現了4次峰值，說明亞關鍵層細砂巖的每一次破斷，都會引起光纖應變出現較大波動，使工作面支承壓力迅速增大;同時也證明光纖傳感不僅能反應巖層變形，還能監測出來壓步距。

為了說明覆巖運移與地表移動變形的關系，將亞關鍵層細砂巖、主關鍵層巨厚礫巖、地表粘土層位置的光纖應變峰值進行對比分析，如圖12所示。亞關鍵層應變波動范圍較大，共出現4次較大周期性變化，而地表應變基本呈單調遞增，二者變化趨勢無明顯關聯。主關鍵層應變與地表應變變化規律相同，都呈單調遞增，且分別在1 840，1 920 mm達到最大峰值，說明地表移動變形主要受主關鍵層巨厚礫巖的控制，其與巨厚礫巖基本保持同步變形。二者區別為地表應變均小于巨厚礫巖應變，且地表出現峰值位置滯后于巨厚礫巖的峰值位置，說明巨厚礫巖控制著其上方巖層及地表變形，變形由下向上傳遞過程中變形逐漸減緩和傳遞滯后時間效應。

將地表位移峰值與光纖應變峰值進行對比分析，如圖13所示。在推進距離800 mm時，光纖應變感知到地表變形，而位移計監測到地表開始變形的距離為840 mm，說明光纖傳感監測更靈敏;在開采距離為1 760～1 920 mm范圍內，位移峰值與應變峰值增長速度最快，說明該階段主關鍵層巨厚礫巖與地表移動變形較為劇烈。整個推進過程中，位移峰值曲線和應變峰值曲線基本都呈單調遞增，且兩者變化范圍與變化趨勢基本保持一致，說明光纖監測地表變形具有較好的適用性。

4?結?論

1）分布式光纖傳感監測技術與傳統的測試結果具有良好的對應關系，表明光纖感測技術適用于物理模型試驗的覆巖與地表的移動變形監測。

2）深部巨厚礫巖下采動地表移動變形規律具有特殊性。地表受主關鍵層巨厚礫巖控制作用，變形向上傳遞受阻，地表變形整體上均小于巨厚礫巖，但二者基本保持同步變形，且地表變形有明顯滯后效應。

3）模型試驗開采尺寸有限，未達到充分采動狀態;預測工作面繼續推進，當巨厚礫巖達到其極限垮落步距時，巨厚礫巖破斷失穩，采場會發生強礦壓動力顯現現象，地表會出現臺階性下沉，甚至會產生地裂縫，帶來一系列采動地表災害事故。

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