厚松散層條件下綜放開采地表沉陷規(guī)律與機理

易四海，鄭志剛，滕永海

（煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院，河北唐山 063012）

厚松散層條件下綜放開采地表沉陷規(guī)律與機理

易四海，鄭志剛，滕永海

（煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院，河北唐山 063012）

在分析研究司馬煤礦地表移動觀測資料的基礎(chǔ)上，研究了厚松散層條件下綜放開采的地表移動特征。并采用數(shù)值模擬的手段，分別揭示了松散層、基巖巖性及厚度對地表沉陷規(guī)律的影響，解釋了厚松散層條件下開采地表下沉系數(shù)偏大的機理。研究成果對安全合理地開采厚松散層、綜放礦井“三下”壓煤具有重要的參考價值。

松散層;綜采放頂煤;地表沉陷;規(guī)律;機理

近年來，由于綜采放頂煤一次采全高，開采強度大，地表沉陷變形異常劇烈，給地面建 （構(gòu)）筑物和環(huán)境帶來了嚴(yán)重的影響，引起了有關(guān)各界的重視和注意。目前，我國對綜采放頂煤條件下地表沉陷規(guī)律已經(jīng)做了大量的工作，也取得了一系列的成果［1－5］。但是在厚松散層條件下，由于松散層與基巖的巖性差別，采用綜放開采其地表沉陷變形規(guī)律具有一定的特殊性，而國內(nèi)外可借鑒的經(jīng)驗很少，給厚松散層、綜放條件礦井“三下”壓煤問題的解決帶了一定的困難。

為系統(tǒng)掌握厚松散層條件下綜放開采地表移動規(guī)律，利用設(shè)在司馬煤礦的1101工作面地表移動觀測站，進行了該條件下的地表巖移規(guī)律研究。并基于松散層的物理力學(xué)性質(zhì)和現(xiàn)場實測資料，采用數(shù)值模擬的手段對厚松散層條件下綜放開采的采動影響和機理進行了描述、分析。

1 試驗區(qū)地質(zhì)采礦條件

試驗工作面為司馬煤礦一采區(qū)的1101和1102工作面，兩工作面相鄰，均沿傾向布置，周圍均為未采區(qū)。司馬礦井田多為第四系黃土層所覆蓋，地勢平坦，地面標(biāo)高一般在940m左右。礦井主采山西組3號煤，厚6～7m，傾角4°左右，賦存標(biāo)高為520～815m。上覆巖層主要由砂巖、粉砂巖、泥巖、石灰?guī)r及第三系、第四系地層組成，表土層厚度為36.1～198.95m，平均為140m左右，屬厚表土層覆蓋區(qū)，其中一采區(qū)表土層厚度達 170～200m，而基巖厚度僅為50～80m，表土層約占上覆地層總厚度的80%以上。

1101工作面為首采面，長960m，寬165m，開采厚度 6.5～6.8m，傾角 3～8°，平均采深219m，由東向西回采。2005年6開始回采，2006年6月回采結(jié)束，平均推進速度為2.67m/d。1102工作面長690m，寬174m，開采厚度5.9～6.8m，煤層傾角2～7°，平均采深225m，由東向西回采，2006年6開始回采，2007年3月回采結(jié)束，平均推進速度約為2.33m/d。采煤方法均采用傾斜長壁綜采放頂煤一次采全高、全部陷落法處理頂板。

2 地表移動規(guī)律研究

司馬煤礦1101和1102工作面地表巖移觀測站分別沿工作面走向方向和傾斜方向各布設(shè)了1條觀測線。受地質(zhì)構(gòu)造等因素影響，觀測站設(shè)于工作面終采線一側(cè)，開切眼一側(cè)未布設(shè)測點，見圖1。

圖1 觀測線布置

觀測站于2006年初進行了測點的制造及埋設(shè)，控制點和工作測點穩(wěn)定后進行了連接測量。2006年4月13日，巖移觀測站進行了首次全面觀測，到2007年5月結(jié)束，2年間進行了多次觀測。根據(jù)實測資料，地表最大移動和變形值如表1。

司馬煤礦具有采深淺、基巖薄、表土層厚、煤層厚的特點，采用傾斜長壁綜采放頂煤一次采全高全部陷落法處理頂板，推進速度快、開采強度大，地表移動規(guī)律呈現(xiàn)出了一些新的特點:

（1）相對于同樣采深薄松散層條件下綜放開采，厚松散層條件下綜放開采地表沉陷變形更加劇烈，沉陷時間比較集中，受采動影響極為敏感。

表1 實測地表最大移動變形值

為便于分析對比，將薄松散層、綜采條件類似的五陽礦7503和7511工作面動態(tài)變形的數(shù)據(jù)一并列出，見表2。通過比較可看出，采動過程中，厚松散層條件下綜放開采地表受采動影響極為敏感，地下開采活動產(chǎn)生的影響很快傳遞到地表，加之工作面推進速度快，地表移動的初始期很短，僅為10d左右。地表移動與變形極為劇烈且時間集中，在不到2個月的時間內(nèi)，地表最大下沉值達到5530mm，最大傾斜變形值達77mm/m，最大水平變形達37.4mm/m;下沉速度快，達217.2mm/d;活躍期短，約為2個月，占總地表移動時間的25%，期間下沉量占總沉降量的90%以上;衰退期持續(xù)時間長，約為12個月，但下沉量很小。

（2）下沉盆地表現(xiàn)出厚松散層的特征，地表移動變形分布比較集中。

表2 厚、薄松散層工作面動態(tài)移動與變形比較

采用綜合機械化放頂煤開采，煤層開采后，地表移動變形分布比較集中，主要表現(xiàn)在采空區(qū)邊界以內(nèi)地表下沉盆地陡峭，采空區(qū)邊界以外地表下沉盆地平緩，即地表移動變形在拐點內(nèi)側(cè)下沉曲線發(fā)展較陡，下沉值較大;而在拐點外側(cè)下沉曲線收斂較慢，影響范圍向外擴展較遠(yuǎn)。表現(xiàn)在巖移參數(shù)上，地表下沉系數(shù)較大，達到0.94，主要影響角正切tanβ偏大，地表下沉速度偏大，動態(tài)變形值大，地表移動劇烈。

（3）松散層地表破壞嚴(yán)重，裂縫顯著發(fā)育。

由于煤層開采厚度大，采深較淺，開采強度高，地表移動非常活躍，加之厚沖積層較為松散的特性，地表臺階狀裂縫十分發(fā)育。裂縫一般分2種，一種是隨著工作面不斷向前推進，在工作面前方動態(tài)拉伸區(qū)不斷出現(xiàn)的動態(tài)裂縫，該裂縫一般每隔5～10m出現(xiàn)1條，與工作面回采線大致平行呈弧狀裂縫，裂縫寬度一般200mm，發(fā)育成熟一般10d左右，之后裂縫逐漸閉合消失，或殘留一定的臺階痕跡;另一種是在工作面兩側(cè)邊界附近下沉盆地邊緣位置出現(xiàn)比較固定的裂縫，裂縫方向與采空區(qū)邊界方向基本一致，有較明顯的裂縫帶，這些裂縫一般不會自然消失，裂縫最大寬度達 300～500mm，臺階落差最大達500mm。在壓縮變形區(qū)域，地表還伴有鼓起現(xiàn)象。

3 機理分析

基于上述厚松散層條件下綜放開采實測結(jié)果所顯示出來的地表移動新特點，采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D分析了其內(nèi)在機理。數(shù)值模擬共分為3組，松散層厚度為200m，煤層厚度為6m，基巖厚度分別取 20m，40m，60m，占采深的比重分別為9.09%，16.67%，23.08%，分別為采厚的3.33，6.67，10倍。表3為數(shù)值模擬厚松散層條件下不同基巖厚度的地表沉陷情況。由模擬結(jié)果可以看出，在松散層厚度不變，隨基巖厚度的增加，地表下沉在程度上減少，在范圍上無論走向還是傾向上都有所擴大。由上述規(guī)律可看出厚松散層條件下基巖厚度對地表的移動起到了控制作用。

表3 厚松散層條件下不同基巖厚度的地表沉陷情況

錢鳴高院士等人［6－7］提出的關(guān)鍵層理論，認(rèn)為:在煤系巖層中，由于成巖時間和礦物組成的不同，使各巖層在厚度和力學(xué)特性等方面都存在著不同程度的差別，而其中一些較為堅硬的厚巖層在采場上覆巖體的變形和破壞中起著主要的控制作用，并且以某種力學(xué)結(jié)構(gòu) （板或簡化為梁等）形式支承上部巖體的壓力，而在破斷后形成的結(jié)構(gòu)形式（如砌體梁）又直接影響著采場礦壓顯現(xiàn)和巖層移動。這種在巖層活動中起主要控制作用的堅硬巖層稱之為關(guān)鍵層。在厚松散層開采條件下，由于松散層的力學(xué)強度低，抗變形能力差，屬軟弱層，基巖無疑是厚松散層開采條件下地表沉陷的關(guān)鍵層，其移動變形和破壞，決定了上位巖層乃至地表的活動特點。

圖2中的3組圖分別為厚松散層條件下基巖厚度分別取20m，40m，60m時傾向剖面上巖層豎直移動等值線圖。由覆巖移動大小分布規(guī)律來看，基巖厚度為20m時，煤層頂板垮落帶發(fā)育高度超過基巖上界面而進入松散層，關(guān)鍵層遭到采動破壞，基巖失去了對上覆松散層直至地表的全部巖體運動的控制作用，松散層直至地表的全部巖體隨之整體下沉，引起地表下沉量比較大，下沉系數(shù)接近于1。基巖厚度為40m和60m時，煤層頂板垮落帶發(fā)育高度未超過基巖上界面，關(guān)鍵層未遭到完全破壞，松散層直至地表的全部巖體的運動尚處在基巖的控制下，但地表下沉量依然比較大，下沉系數(shù)比非厚松散層條件下開采偏高。這是因為松散層作為抗彎能力很低的松散介質(zhì)覆蓋于基巖之上，對基巖起荷載作用，在基巖受到采動破壞后，壓密基巖內(nèi)的垮落空隙和離層裂隙，加劇巖層的破壞和移動，引起地表下沉進一步加大。

另外，從數(shù)值計算的巖層移動特征可以看出，從基巖接觸面起至地表的松散層內(nèi)，各點的下沉量差異遠(yuǎn)無基巖內(nèi)明顯，而是基本相等，說明松散層呈整體性下沉。

這些巖層移動特征都體現(xiàn)了松散層影響的雙重特性—— “加劇巖層破壞，緩解地表變形”［8］，即由于松散層的工程地質(zhì)特征，松散層一方面對其下覆巖層而言是一重力載荷，促使和加劇巖層的破壞和移動;另一方面對于地表及地物而言，由于介質(zhì)內(nèi)部的自調(diào)整，在傳遞基巖面變形的過程中可進行變形緩解，減緩了地表變形。

圖2 不同基巖厚度傾向剖面上巖層豎直移動等值線

由于松散層和基巖的巨大巖性差異，松散層下開采可用雙層介質(zhì)模型解釋，即將基巖看作控制巖梁，松散層看成隨機介質(zhì)?；鶐r就像一組或若干組巖梁一樣，支撐著其上覆載荷，有效控制著地表下沉;松散層在開挖時整體下沉充填基巖面所形成的下沉空間，地表下沉盆地的發(fā)展程度完全取決于基巖的下沉程度。因此，地表下沉值的大小完全取決于基巖的控制能力，即地表下沉系數(shù)取決于該地質(zhì)采礦條件下基巖的控制能力?；鶐r的控制能力主要反映在基巖的破壞程度，當(dāng)基巖整體完全破壞時，即采空區(qū)上方垮落帶超過基巖面進入松散層，基巖失去對上覆松散層的控制能力，基巖內(nèi)無法形成應(yīng)力平衡結(jié)構(gòu)，松散層整體下沉充填開采空間，該地質(zhì)采礦條件下的地表下沉系數(shù)將會很大，接近于1;當(dāng)基巖整體輕微破壞時，即采空區(qū)上方垮落帶未超過基巖面且基巖上部分處于彎曲帶、巖性完整，基巖可以對上覆松散層起到較好的控制作用，地表下沉表現(xiàn)為巖梁的彎曲下沉，該地質(zhì)采礦條件下的地表下沉系數(shù)相對較小;當(dāng)基巖整體中度破壞時，即采空區(qū)上方垮落帶未超過基巖面且基巖上部分發(fā)生垂直層面的裂縫，該條件下基巖對上覆松散層能起到一定的控制作用，地表下沉系數(shù)介于基巖完全破壞和輕微破壞之間。大量的采礦實踐表明，基巖的破壞程度主要與基巖巖性、基巖厚度、開采厚度和開采尺寸等因素有關(guān)。

4 結(jié)論

（1）地表移動觀測顯示，厚松散層下綜放開采地表移動特征為:地表沉陷變形更加劇烈，沉陷時間集中，受采動影響極為敏感;地表移動變形分布集中;地表破壞十分嚴(yán)重，裂縫顯著發(fā)育。

（2）厚松散層條件下，基巖是地表沉陷的關(guān)鍵層，其移動變形和破壞，決定了上位巖層乃至地表的活動特點，對地表移動起控制作用;松散層對其下覆巖層而言是一重力載荷，同時由于其物性能夠緩解基巖傳遞的移動變形，在巖層移動過程中起到“加劇巖層破壞，緩解地表變形”的作用。

（3）厚松散層條件下地表下沉系數(shù)取決于該地質(zhì)采礦條件下基巖的控制能力。基巖的控制能力主要反映在基巖的破壞程度，當(dāng)基巖整體完全破壞時，基巖失去對上覆松散層的控制能力，地表下沉系數(shù)將會很大，接近于1;當(dāng)基巖整體輕微破壞時，基巖可以對上覆松散層起到較好的控制作用，地表下沉系數(shù)相對較小;當(dāng)基巖整體中度破壞時，地表下沉系數(shù)介于基巖完全破壞和輕微破壞之間。

［1］滕永海，唐志新，鄭志剛.綜采放頂煤地表沉陷規(guī)律研究及應(yīng)用［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2009.

［2］徐泮林，成 樞，戴素娟，等.綜采放頂煤條件下的地表移動變形規(guī)律［J］.礦山測量，1997（3）:11－13.

［3］郭廣禮，鄧喀中，張連貴，等.綜采放頂煤地表移動規(guī)律特殊性［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，1999（4）:375－378.

［4］張華興，梁京華，孫希奎，等.許廠煤礦放頂煤開采的地表移動規(guī)律［J］.礦山測量，2001（1）:53－55.

［5］吳 侃，鄧喀中，周 鳴，等.綜采放頂煤表土層移動監(jiān)測成果分析［J］.煤炭學(xué)報，1999（1）:21－24.

［6］錢鳴高.巖層控制的關(guān)鍵層理論［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2000.

［7］許家林，錢鳴高.關(guān)鍵層運動對覆巖及地表移動影響的研究［J］.煤炭學(xué)報，2000（4）:122－126.

［8］殷作如.開灤礦區(qū)巖層移動與厚松散層地表移動規(guī)律研究［D］.北京:中國礦業(yè)大學(xué)（北京），2007.

Surface Subsidence Rule and Mechanism of Full-mechanized Caving Mining Face under Thick Loose Bed

YISi-hai，ZHENG Zhi-gang，TENG Yong-hai

（Tangshan Research Institute，China Coal Research Institute，Tangshan 063012，China）

Based on analysis of surfacemovement observation data from Sima Colliery，surfacemovement characteristic of full-mining cavingmining under thick loose bed was researched.The influence of loose bed，lithology and thickness of bed rock on surface subsidence was revealed by numerical simulation.The cause that surface subsidence ratiowas larger under thick loose bed was explained.The resultmight provide important reference for full-mechanized cavingmining under thick loose bed when mining under railway，village and buildings.

loose bed;full-mechanized cavingmining;surface subsidence;rule;mechanism

TD325.2

A

1006-6225（2011）04-0009-04

2011－03－03

國家自然科學(xué)基金項目 （51074089）;天地科技公司發(fā)展基金項目 （TZ－JJ－2010－TS－5）

易四海 （1980－），男，湖北公安人，工程師，博士，主要從事開采沉陷規(guī)律與“三下”采煤方面的研究工作。

［責(zé)任編輯:徐乃忠］

綜述