采動(dòng)影響下厚黃土層沉陷規(guī)律研究

劉義新 廉玉廣 李少剛

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013)

采動(dòng)影響下厚黃土層沉陷規(guī)律研究

劉義新1,2,3廉玉廣1,2,3李少剛1,2,3

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013)

采動(dòng)影響下厚黃土層沉陷規(guī)律研究對(duì)指導(dǎo)礦區(qū)進(jìn)行“三下”壓煤開(kāi)采設(shè)計(jì)和完善開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)理論等工作具有重要意義。為得到采動(dòng)影響下厚黃土層沉陷規(guī)律，以陽(yáng)灣溝煤礦6204工作面采動(dòng)影響下上覆厚黃土層為研究對(duì)象，采用鉆孔電視探測(cè)和多點(diǎn)位移傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等方法，探測(cè)黃土層內(nèi)裂隙分布情況以及黃土層內(nèi)部采動(dòng)沉陷規(guī)律。結(jié)果表明：厚黃土層完整性好，內(nèi)部無(wú)明顯裂隙；厚黃土層近于整體下沉，且其下沉值近似等于地表下沉值，黃土層與地表同步運(yùn)動(dòng)。

開(kāi)采沉陷規(guī)律 厚黃土層 采動(dòng)裂隙

黃土層作為上覆巖層的一種介質(zhì)，在我國(guó)煤礦區(qū)分布廣泛，主要集中于陜西、山西等礦區(qū)。黃土層結(jié)構(gòu)疏松，具有一定的黏聚力和抗剪強(qiáng)度，但強(qiáng)度遠(yuǎn)低于巖層，其特性與基巖層明顯不同。已有的開(kāi)采實(shí)踐和理論研究表明[1-4]，采動(dòng)影響下黃土覆蓋礦區(qū)開(kāi)采沉陷特性與一般開(kāi)采條件下不同，具體為：厚黃土地區(qū)地表下沉系數(shù)偏大，地表濕陷性黃土層的移動(dòng)角偏大，黃土層地表裂縫特別發(fā)育等。目前，對(duì)于黃土層自身內(nèi)部的采動(dòng)影響沉陷問(wèn)題研究尚不多見(jiàn)[5]。為了研究采動(dòng)影響下黃土層內(nèi)部裂隙分布和內(nèi)部沉陷規(guī)律，本研究以陽(yáng)灣溝煤礦6204工作面上覆受采動(dòng)影響的厚黃土層為研究對(duì)象，采用鉆孔電視探測(cè)和多點(diǎn)位移傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等手段進(jìn)行研究，以期揭示采動(dòng)影響下黃土層自身沉陷特征，對(duì)指導(dǎo)礦區(qū)進(jìn)行“三下”壓煤開(kāi)采設(shè)計(jì)和完善開(kāi)采沉陷預(yù)計(jì)理論等工作具有重要意義。

1 工作面地質(zhì)采礦條件

內(nèi)蒙古伊泰煤炭股份有限公司陽(yáng)灣溝煤礦地處內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗境內(nèi)，行政區(qū)劃隸屬準(zhǔn)格爾旗窯溝鄉(xiāng)管轄。6204工作面位于該井田南部，形狀呈階梯狀，A段長(zhǎng)86.4 m，B段長(zhǎng)126.5 m；A段走向長(zhǎng)度106 m，B段走向長(zhǎng)181 m，累計(jì)走向長(zhǎng)287 m。開(kāi)采石炭系上統(tǒng)太原組6#煤層，煤層厚度9～11 m，平均10 m，傾角3°～5°，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。采深161～202 m，平均采深182 m。工作面采用長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采，全部垮落法管理頂板，目前工作面已開(kāi)采結(jié)束。上覆巖層主要由粗砂巖、細(xì)砂巖、泥巖及第四系黃土層等組成，馬蘭組黃土層厚度約65 m，黃土層厚度及其在煤層埋深中所占比例達(dá)到36%。地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。

2 黃土層內(nèi)部裂隙探測(cè)和沉陷觀測(cè)站概況

為得到采動(dòng)影響下黃土層內(nèi)部裂隙分布和沉陷情況，在6204工作面中部和邊緣上方地表施工5個(gè)鉆孔進(jìn)行觀測(cè)，鉆孔編號(hào)分別為ZK01、ZK02、……、ZK05，ZK01為黃土層內(nèi)部沉陷監(jiān)測(cè)孔，ZK02～ZK05為黃土層裂隙發(fā)育規(guī)律探測(cè)孔，各鉆孔平面位置見(jiàn)圖1。其中，ZK01通過(guò)布設(shè)多點(diǎn)位移傳感器建立黃土層內(nèi)部移動(dòng)觀測(cè)站，該傳感器能自動(dòng)采集各測(cè)點(diǎn)在工作面開(kāi)采過(guò)程中下沉數(shù)據(jù)，最小觀測(cè)時(shí)間間隔為15 min，觀測(cè)精度約為0.3 mm。ZK01孔深194 m，黃土層厚度65 m。該多點(diǎn)位移傳感器在不同深度安設(shè)6個(gè)測(cè)點(diǎn)，自下而上編號(hào)分別為1號(hào)測(cè)點(diǎn)、2號(hào)測(cè)點(diǎn)、……、6號(hào)測(cè)點(diǎn)，其中，1～3號(hào)測(cè)點(diǎn)在基巖內(nèi)布設(shè)，4～6號(hào)測(cè)點(diǎn)在黃土層中布設(shè)，布設(shè)在黃土層中的位置分別距離地表為27、46和62 m，6號(hào)測(cè)點(diǎn)接近黃土與基巖交界面。ZK02～ZK05采用鉆孔電視探測(cè)方法進(jìn)行采前和采后裂隙發(fā)育規(guī)律探測(cè)，圖像分辨率0.1 mm。ZK02和ZK03為采前探測(cè)孔，主要是觀測(cè)工作面開(kāi)采前黃土層的原生裂隙發(fā)育情況。ZK04和ZK05為采后探測(cè)孔，主要是觀測(cè)采后黃土層的裂隙發(fā)育情況。

圖1 黃土采動(dòng)裂隙探測(cè)和沉陷監(jiān)測(cè)鉆孔平面位置

3 黃土層裂隙探測(cè)結(jié)果與分析

圖2為6204工作面采前ZK02、ZK03通過(guò)鉆孔電視探測(cè)獲得的黃土層內(nèi)不同深度的柱狀圖。圖2(a)、圖2(b)分別為ZK02在11.96～12.76 m和23.36～24.16 m深度內(nèi)黃土層柱狀圖像，圖2(c)ZK03在52.8～53.6 m深度內(nèi)黃土層柱狀圖像。從圖2可見(jiàn)，鉆孔電視探測(cè)得到的采前2鉆孔內(nèi)黃土層孔壁完整，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何原生裂隙。

圖2 采前ZK02、ZK03黃土段鉆孔電視柱狀圖

圖3為工作面采后ZK04、ZK05通過(guò)鉆孔電視觀測(cè)獲得的不同黃土深度的柱狀圖圖像。其中圖3(a)和圖3(b)分別為ZK04深度19.0～19.8 m和41.8～42.6 m柱狀圖圖像，圖3(c)和圖3(d)分別為ZK05深度11.52～12.32 m和52.0～52.8 m柱狀圖圖像。從圖3可見(jiàn)，采后2鉆孔內(nèi)孔壁均完整，局部附有泥漿，黃土層內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯裂隙。

4 黃土層內(nèi)部沉陷觀測(cè)結(jié)果與分析

多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)得到的6204工作面整個(gè)開(kāi)采過(guò)程中上覆黃土層各測(cè)點(diǎn)相對(duì)下沉值見(jiàn)表1。根據(jù)ZK01孔口標(biāo)高的觀測(cè)值即可得到各測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)下沉值，見(jiàn)表2。

從表1、表2可見(jiàn)：6204工作面開(kāi)采過(guò)程中黃土層內(nèi)4～6號(hào)測(cè)點(diǎn)下沉較均勻，近于整體下沉，且其下沉值近似等于地表下沉值，黃土層與地表處于同步運(yùn)動(dòng)。

5 結(jié) 論

(1)采用鉆孔電視探測(cè)出采動(dòng)影響下厚黃土層內(nèi)部完整性好，無(wú)明顯裂隙。

(2)采用多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)得出采動(dòng)影響下厚黃土層近于整體下沉，且其下沉值近似等于地表下沉值，黃土與地表同步運(yùn)動(dòng)。

圖3 采后ZK04、ZK05黃土段鉆孔電視柱狀圖

表1 多點(diǎn)位移計(jì)各測(cè)點(diǎn)相對(duì)下沉值

表2 多點(diǎn)位移計(jì)各測(cè)點(diǎn)及鉆孔ZK02絕對(duì)下沉值

[1] 余學(xué)義，李幫邦.西部巨厚濕陷性黃土層開(kāi)采損害程度分析[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，37(1)： 43-47. Yu Xueyi，Li Bangbang.Analysis of mining damage in huge thick collapsible loess of Western China[J].Journal of China University of Mining & Technology，2008，37(1)：43-47.

[2] 王貴榮.厚黃土薄基巖地區(qū)開(kāi)采沉陷規(guī)律探討[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26(4)：443-445. Wang Guirong.Laws of mining subsidence in thick yellow soil and thin bedrock layer areas[J].Journal of Xi'an University of Science and Technology，2006，26(4)：443-445.

[3] 吳教錕.巨厚濕陷性黃土覆蓋層下條帶開(kāi)采參數(shù)研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2005. Wu Jiaokun.Research on Parameter of Trip Mining under the Thickness Collapsible Loss[D].Xi'an：Xi'an University of Science and Technology,2005.

[4] 余學(xué)義，吳教錕.中國(guó)西部濕陷性黃土層采動(dòng)損害控制與生態(tài)環(huán)境重建[C]∥中國(guó)西部環(huán)境問(wèn)題與可持續(xù)發(fā)展國(guó)際學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2004:363-366. Yu Xueyi，Wu Jiaokun.Control of mining damage and reconstruction of ecological environment in collapsible loess of Western China[C]∥International Conference Proceedings about Environmental Problems and Sustainable Development in Western China.Beijing：China Environmental Science Press，2004:363-366.

[5] 湯伏全，原 濤，汪桂生.渭北礦區(qū)厚黃土層采動(dòng)變形數(shù)值模擬研究[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，31(1)：53-58. Tang Fuquan，Yuan Tao，Wang Guisheng.Mining deformation numerical simulation of thick loess layer in Weibei mining area[J].Journal of Xi'an University of Science and Technology，2011，31(1)：53-58.

(責(zé)任編輯 石海林)

Research of Mining Induced Subsidence Law of Thick Loess layer

Liu Yixin1,2,3Lian Yuguang1,2,3Li Shaogang1,2,3

(1.ChinaCoalResearchInstitute，Beijing100013，China；2.StateKeyLabofCoalMiningandCleanUtilization，Beijing100013，China；3.BeijingMineSafetyEngineeringTechnologyResearchCenter，Beijing100013，China)

It is important for coal pillar mining under buildings，railways and water-bodies and perfecting coal mining subsidence prediction theory to study mining-induced subsidence law of thick loess layer.Based on 6204 working face of Yangwangou Coal Mine，borehole TV detection equipment and real-time monitoring equipment for measure points subsidence value were used respectively，to detect inner mining induced fracture and reveal subsidence law of thick loess layer.It shows that thick loess layer has good integrity，and has no inner mining-induced fracture.Furthermore，it is obtained that thick loess subsidence as a whole，whose subsidence value approximately equal to surface subsidence value，and keeps in step with the surface.

Mining subsidence law，Thick loess layer，Mining-induced fracture

2015-03-20

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(編號(hào)：2012CB724208)，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51404139)。

劉義新(1980—)，男，副研究員，博士。

TD325

A

1001-1250(2015)-04-012-03