大采深非充分開采地表沉陷規(guī)律實(shí)測分析

賈新果

(1 煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院,北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)；3 北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013)

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大采深非充分開采地表沉陷規(guī)律實(shí)測分析

賈新果1,2,3

(1 煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院,北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)；3 北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013)

[摘要]通過在平頂山礦區(qū)某礦建立地表移動觀測站，獲得了非充分開采條件下的地表移動實(shí)測數(shù)據(jù)，對該條件下的地表沉陷規(guī)律進(jìn)行了分析,獲得了該條件下的地表移動角量參數(shù)和地表移動計算參數(shù)。研究結(jié)果表明：非充分開采條件下地表沉陷影響范圍和沉陷變形值均明顯減小，巖層移動各角量參數(shù)大于充分開采條件下的角量參數(shù)，地表沉陷變形趨于平緩。研究結(jié)果可用于指導(dǎo)非充分開采在類似地質(zhì)采礦條件下的煤礦開采，為解放“三下”壓煤提供了依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]非充分開采；地表沉陷；角量參數(shù)；地表移動計算參數(shù)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.015

[引用格式]賈新果.大采深非充分開采地表沉陷規(guī)律實(shí)測分析[J].煤礦開采，2015，20(5)：53-56.

隨著采深增加，地表移動影響范圍增大，地表移動盆地變得平緩，各項(xiàng)變形值減小[1]。工作面尺寸的大小可影響地表移動盆地特征，一般用充分采動程度，即寬深比D/H0來表示。我國大量實(shí)測資料表明[2-7]：D/H0<1.2～1.4時，地表為非充分采動?，F(xiàn)有觀測資料表明[8]，在厚松散層條件下，采用基巖厚度作為衡量采動程度的標(biāo)準(zhǔn)更符合實(shí)際。與充分開采相比，非充分開采地表移動和變形規(guī)律發(fā)生了很大變化[9-11]，采動程度(采動系數(shù))對地表的下沉起關(guān)鍵控制作用。本文根據(jù)平頂山礦區(qū)某礦22071地表移動觀測站實(shí)測資料，分析了非充分開采地表沉陷特征。

1觀測站概況

1.1　工作面概況

平頂山礦區(qū)某礦22071工作面為該礦東翼采區(qū)己組煤的第一個綜采工作面。工作面走向長1760m，工作面斜長176m，煤層傾角21°，煤層傾向30°，煤厚7.4m，采高3.6m，采深717～780m。上覆巖層屬中硬巖層，其中松散層厚約35m，細(xì)中粒砂巖233.54m；其下為泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、煤層等巖層。直接頂為1.7m厚頁巖，基本頂為9.0m厚細(xì)砂巖。傾斜方向采動系數(shù)n1=0.20，為傾向非充分采動。

22071工作面位于二水平己二采區(qū)東翼，西起東翼軌道下山，東止于井田邊界保護(hù)煤柱線，南為已回采結(jié)束的采空區(qū)(1995—1996年炮采)，北為原生煤體。對應(yīng)地表為農(nóng)田，地勢北高南低。開采時間為2005年12月至2007年12月，推進(jìn)速度約61m/月，走向長壁開采，全陷法管理頂板。

1.2　觀測站布置

該觀測站測線總長2205m，共布置控制點(diǎn)3個，工作測點(diǎn)73個(圖1)。沿工作面走向布置一條走向觀測線，測線長1470m，工作測點(diǎn)48個，測點(diǎn)間距30m；在工作面西側(cè)設(shè)半條(下山)傾斜觀測線，測線長735m，25個測點(diǎn)，測點(diǎn)間距30m。

圖1　22071觀測站布置

1.3　觀測站觀測

觀測時間為2005年11月至2008年8月，歷時34個月，共觀測了35次。觀測頻率視地表下沉速度大小而定。

在連測后、地表開始移動之前，獨(dú)立進(jìn)行兩次全面觀測，兩次觀測間隔1d，取兩次測量數(shù)據(jù)均值作為各工作測點(diǎn)基準(zhǔn)值。地表移動初始期為判定地表是否開始移動，在預(yù)計可能首先移動區(qū)域，選擇幾個工作測點(diǎn)，每隔10～20d進(jìn)行1次水準(zhǔn)測

量，發(fā)現(xiàn)測點(diǎn)有下沉趨勢時，說明地表已開始移動。該段觀測從2005年11月至2006年3月，共觀測了7次。在地表移動進(jìn)入活躍期后，重復(fù)進(jìn)行水準(zhǔn)測量，觀測頻率為每隔30d觀測1次，該階段觀測從2006年3月至2008年1月，共觀測了23次。地表移動進(jìn)入衰退期后，觀測頻率為每隔2～3個月觀測1次，該階段觀測從2008年1月至2008年8月，共觀測了3次。

首次與末次進(jìn)行全面觀測，同時測量下沉及邊長，其余監(jiān)測只進(jìn)行水準(zhǔn)測量。首末次全面觀測作業(yè)采用三等水準(zhǔn)測量、日常觀測作業(yè)用四等水準(zhǔn)測量，嚴(yán)格按三、四等水準(zhǔn)測量規(guī)范進(jìn)行作業(yè)。平面控制采用1954年北京坐標(biāo)系，利用GPS進(jìn)行聯(lián)測，聯(lián)測精度按《煤礦測量規(guī)程》中地面控制測量一級導(dǎo)線要求施測。觀測期間，測線上測點(diǎn)缺失比較嚴(yán)重，走向觀測線缺失22個測點(diǎn)，傾向觀測線缺失6個測點(diǎn)，但觀測數(shù)據(jù)能基本反映出22071工作面地表沉陷狀況。表1為觀測線上地表最大移動與變形值，圖2、圖3分別為傾向觀測線和走向觀測線的部分實(shí)測下沉曲線。

表1　觀測線上地表最大移動與變形值

圖2　傾向觀測線部分實(shí)測下沉曲線

圖3　走向觀測線部分實(shí)測下沉曲線

2觀測成果分析

在進(jìn)行觀測成果分析前，對野外觀測成果再次檢查，剔除個別觀測誤差大的或觀測錯誤的數(shù)據(jù)。根據(jù)每次觀測成果計算得到的地表移動和變形值，繪制出各種地表移動和變形曲線圖，求取地表沉陷角量參數(shù)，并進(jìn)行地表移動計算實(shí)測參數(shù)求取，總結(jié)移動變形分布規(guī)律等。

2.1　角量參數(shù)

一般用邊界角、移動角、裂縫角等角量參數(shù)圈定移動盆地邊界，這些角量參數(shù)是在充分采動或接近充分采動的條件下求得的，它們反映了地下開采對地表移動的影響程度、大小、范圍。為便于與充分開采條件下的地表沉陷規(guī)律進(jìn)行對比，求取22071觀測站角量參數(shù)時，仍參照了充分開采條件下角量參數(shù)的求取方法[12]。

根據(jù)實(shí)測下沉和水平移動數(shù)據(jù)及觀測站擬合結(jié)果求得的觀測站角量參數(shù)見表2。

由于22071工作面為非充分開采，地表移動變形實(shí)測值除傾向觀測線上的最大傾斜值超過了3mm/m外，水平變形值和曲率均較小，未達(dá)到臨界變形值，因此，只求取了下山移動角。上山邊界角采用傾向觀測線上山方向的擬合下沉值求取，走向邊界角采用走向觀測線上擬合的下沉值求取。同時表2還列出了平頂山礦區(qū)地表移動實(shí)測角量參數(shù)。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，充分開采條件下，下山邊界角48°，上山邊界角60°，走向邊界角54°，下山移動角56°。處于傾向非充分開采條件下的22071觀測站巖層移動各實(shí)測角量參數(shù)大于充分開采條件下的角量參數(shù)值10°左右。

表2　平頂山礦區(qū)[12]與22071觀測站巖層移動角量參數(shù)對比

注：*為根據(jù)擬合數(shù)據(jù)求??；α為煤層傾角。

結(jié)果表明，非充分開采條件下地表沉陷影響范圍明顯減??；地表危險移動范圍也顯著縮小，地表沉陷變形則趨于平緩。非充分開采條件下的地表沉陷變形特征對地表建構(gòu)筑物的保護(hù)是十分有利的。

2.2　地表移動計算參數(shù)

地表移動計算參數(shù)主要有下沉系數(shù)q、水平移動系數(shù)b、開采影響傳播角θ、主要影響角正切tanβ和拐點(diǎn)偏移距S(S左，S右，S上，S下)等。

根據(jù)觀測站測得的水平移動值和下沉值，采用基于最大-最小蟻群算法的概率積分法計算模型，對傾向觀測線和走向觀測線數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了求參(該求參方法已另文討論，可參考文獻(xiàn)[13]，在此不再贅述)，結(jié)果見表3，表3中的采動系數(shù) n1=K1·D1/H，其中D1為工作面沿傾向?qū)嶋H長度；H為基巖平均厚度；中硬巖層時，取K1=0.8。擬合結(jié)果見圖4和圖5。傾向觀測線擬合中誤差M=51mm，相對中誤差(相對于實(shí)測最大下沉值)為6.1%；走向觀測線擬合中誤差M=23mm，相對中誤差(相對于實(shí)測最大下沉值)為5.3%。

在充分開采條件下，平頂山礦區(qū)下沉系數(shù)q=0.80～0.91，水平移動系數(shù)b=0.28～0.36，主要影響角正切tanβ=1.50～1.71，拐點(diǎn)偏移距S大多為負(fù)值，偏向煤柱一側(cè)。傾向非充分開采條件下，22071觀測站實(shí)測地表移動計算參數(shù)如下：下沉系數(shù)q=0.57，水平移動系數(shù)b=0.26，主要影響角正切tanβ下山=2.11，tanβ走向=1.63，拐點(diǎn)偏移距S=-23.0～7.0。非充分開采條件下，下沉系數(shù)僅為充分開采條件下的65%左右，水平移動系數(shù)b減小了0.07；在非充分開采方向上主要影響角正切值增大約0.6，拐點(diǎn)偏移距S則無顯著變化，地表沉陷移動變形趨于平緩。

表3　平頂山礦區(qū)部分觀測站[12]與22071觀測站地表移動計算參數(shù)對比

圖4　傾向觀測線下沉擬合曲線

圖5　走向觀測線下沉擬合曲線

非充分開采條件下的地表移動角量參數(shù)和計算參數(shù)較充分采動情況下有很大不同。究其原因，主要是由于非充分開采時，其上覆巖層破壞具有懸臂梁、垮落拱等特征，覆巖移動和變形破壞以巖梁彎曲和煤柱壓縮為主，具有整體壓縮、均勻移動和變形的特點(diǎn)。地表移動盆地中的地表傾斜值、曲率值和水平變形值相對變小，地表移動盆地上下沉10mm的點(diǎn)(即最外邊界點(diǎn))和危險移動邊界的臨界變形值如傾斜3mm/m，曲率0.2×10-3/m和水平變形2mm/m的點(diǎn)(即危險移動邊界點(diǎn))相對內(nèi)移。因此，用這些特征點(diǎn)求取的邊界角和移動角等角值參數(shù)增大，求取的地表移動計算參數(shù)亦相應(yīng)增大或減小。這對建構(gòu)筑物的保護(hù)是十分有利的，在利用非充分開采地表移動規(guī)律時，必須充分利用該特點(diǎn)。

22071工作面南側(cè)存在1995—1996年間回采結(jié)束的采空區(qū)，該采空區(qū)距22071工作面回采已過去了10a的時間，采空區(qū)圍巖內(nèi)原始應(yīng)力平衡狀態(tài)經(jīng)受了平衡→破壞→重新分布→新平衡的過程，地表已處于沉陷穩(wěn)定階段；22071觀測站初期觀測數(shù)據(jù)也說明了這一點(diǎn)。但隨著22071工作面的回采，采空區(qū)圍巖應(yīng)力暫時形成的平衡狀態(tài)被重新打破，再一次經(jīng)歷了平衡→破壞→重新分布→新平衡的過程，受采空區(qū)“活化”影響，傾向觀測線上山一側(cè)觀測到的下沉值明顯增大，擬合值與實(shí)測值相差了142mm，受采空區(qū)“活化”影響，引起的地表殘余沉陷變形量不容忽視。

3結(jié)論

(1)根據(jù)平頂山礦區(qū)某礦22071觀測站實(shí)測資料及其分析表明，非充分開采條件下地表沉陷影響范圍和地表危險移動范圍都顯著縮小。

(2)非充分開采時，地表移動變形值減小，移動角增大或者不存在；地表沉陷影響范圍減小。因此，在利用《規(guī)程》[12]推薦的邊界角和移動角進(jìn)行非充分開采條件下的沉陷變形計算時，需增大邊界角和移動角值。

(3)利用《規(guī)程》[12]推薦的地表移動計算參數(shù)進(jìn)行非充分開采地表沉陷計算時，需對下沉系數(shù)、水平變形系數(shù)和主要影響角正切加以修正，具體做法為：減小下沉系數(shù)和水平變形系數(shù)，增大主要影響角正切值。

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[責(zé)任編輯：施紅霞]

Observation and Analysis of Surface Subsidence Rule of Large-mining-depth Non-full Mining

JIA Xin-guo1,2,3

(1. Safety Branch，Coal Science & Technology Research Institute Co.，Ltd.,Beijing 100013，China； 2.State Key Laboratory of Coal Resource High-efficiency Mining & Clean Utilization，Beijing 100013，China; 3.Beijing Municipal Coalmine Safety Engineering Technology Research Center，Beijing 100013，China)

Abstract：By setting up surface movement observation station in a coalmine of Pingdingshan mining field，surface movement rule of non-full mining was analyzed. Surface movement angle parameters and calculation parameters were obtained. Results showed that surface subsidence influence range and deformation value reduced largely，angle parameters of strata movement was larger than those of full mining and surface subsidence and deformation tended to be gentle. The results could be used to instruct non-full mining under similar condition and provide reference for mining under buildings，railways and water-bodies.

Keywords：non-full mining；surface subsidence；angle parameters；surface movement calculation parameter

[作者簡介]賈新果(1980-)，男，河北邢臺人，碩士，從事開采沉陷損害與綜合防治技術(shù)研究工作。

[基金項(xiàng)目]國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51404139)

[收稿日期]2015-03-06

[中圖分類號]TD325.2

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)05-0053-04