薄基巖淺埋深礦區(qū)地表開采沉降預(yù)測及影響因素分析

郭啟琛 李文平 王啟慶 楊東東

(中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州221000)

我國西部地區(qū)煤炭資源豐富，煤層埋深普遍較淺，頂板基巖較薄，松散層厚度大［1-2］，對于該類礦區(qū)已有大量關(guān)于保水采煤、覆巖破壞等方面的研究成果問世［3-6］。由煤層開采引起的覆巖破壞并移動傳播至地表產(chǎn)生的沉降現(xiàn)象，在薄基巖淺埋深礦區(qū)日益嚴(yán)重［7-8］，大量學(xué)者分別從數(shù)據(jù)監(jiān)測、采煤方法、開采充分性等方面對地表采動裂縫的深度、寬度及影響范圍，地表沉降規(guī)律以及地表開采沉降的機理、規(guī)律進行了深入研究［10-13］，但對于薄基巖淺埋深礦區(qū)地表開采沉降直接影響因素的判斷，未直接突出地質(zhì)條件變化的影響。鄂爾多斯某礦區(qū)煤層埋深淺(多在200 m 以內(nèi))，基巖厚度不大(最薄處不足50 m)，區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單，松散層厚度變化較大。本研究以鄂爾多斯某煤礦23103 首采工作面為例，對地表開采沉降及主要影響因素進行分析。

1 研究區(qū)概況

鄂爾多斯某煤礦區(qū)地形總體西高東低、北高南低，標(biāo)高1 183 ～1 405 m，地表主要為風(fēng)積砂、沙漠地貌，地形可分為堆積地形和侵蝕剝蝕地形兩大類。目前礦區(qū)主采Ⅱ－3#煤層，埋深約150 m，厚0.80 ～5.96 m，平均厚4.27 m。23103 綜采工作面為該礦的首采工作面，該工作面從2014 年9 月2 日開始回采，設(shè)計走向長2 163 m，東西寬約260 m(受DF#4斷層影響，工作面里段(0 ～228 m 段)寬度縮至160 m)，開采面積約0.53 km2，設(shè)計采高4.5 m，煤層傾角0° ～3°，可認(rèn)為近似水平，煤層頂板埋深約150 m。采用長壁后退式采煤方法進行開采，裝備一套綜合機械化一次采全高采煤工作面，全部冒落法管理頂板。頂板探查發(fā)現(xiàn):煤層上覆基巖厚度較小，最薄處僅53.92 m，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上部為強風(fēng)化殼，受構(gòu)造破壞，巖體完整性差且含水;基巖上覆松散砂層厚度較大，最厚處可達100 m，因此該采區(qū)整體具有薄基巖淺埋深特征。

2 地表移動變形監(jiān)測

分別沿工作面走向、傾向布置了2 條觀測線，共154 個觀測點，其中走向線布置97 個點，傾向線布置2條，分別有28 個和29 個觀測點，測點間距25 m。觀測站于2014 年10 月5 日完成首次觀測記錄，但由于工程進度等問題，觀測站布測時工作面已經(jīng)開始開采，因此B#97～B#71點的原始高程數(shù)據(jù)是根據(jù)1∶ 10 000地形圖采用等高線內(nèi)插法求出的。在B#80點處，即工作面推進228 m 處第二切眼開始，為保障開采安全，工作面暫停開采，2014 年12 月13 日工作面恢復(fù)開采，2015年7 月1 日完成最后一次監(jiān)測，共監(jiān)測16 次。

3 地表移動變形規(guī)律及預(yù)測

由于采空區(qū)上覆巖層基巖頂部有風(fēng)化現(xiàn)象，因此砂巖等巖體的力學(xué)參數(shù)以實測為準(zhǔn)，根據(jù)采空區(qū)上覆地層鉆孔資料、巖石力學(xué)參數(shù)計算的覆巖綜合評價系數(shù)為0.793，采空區(qū)走向長度與采深比(L0/H0)≥0.8，屬充分采動。運用概率積分法［14］對礦區(qū)地表移動變形的相關(guān)參數(shù)進行了預(yù)測，結(jié)果見表1。部分實測數(shù)據(jù)見圖1、圖2。

表1 礦區(qū)地表移動變形參數(shù)預(yù)測值Table 1 Surface movement parameters and its prediction values of mining area

圖1 23103 工作面走向線動態(tài)下沉曲線Fig.1 Dynamic subsidence curve of the strike line of 23103 working face

圖2 23103 工作面走向線動態(tài)水平移動曲線Fig.2 Dynamic horizontal movement curve of the strike line of 23103 working face

由圖1、圖2 可知:①隨著工作面的逐漸推進，地表下沉逐漸增大，從2014 年12 月13 日第二切眼開始恢復(fù)開采后，整體地表觀測點隨著開采經(jīng)歷一個由開始移動到劇烈移動最后到停止移動的全過程，地表沉降穩(wěn)定后最終走向方向為半無限開采，傾向方向為下沉盆地，且均達到充分采動。②走向地表沉降量與水平移動量整體動態(tài)變化較大，主要由開采速度、上覆巖層性質(zhì)差異導(dǎo)致，傾向方向地表起伏變化不大，走向方向整體呈北高南低的趨勢，累計沉降量未見明顯隨地表起伏變化而變化。實測地表最大沉降量為3.544 m(點)，最大水平移動量為1.816 m(點)，由于地表采動移動規(guī)律與采深、采厚、上覆巖性、工作面尺寸等因素有關(guān)，盡管預(yù)測值與實測值存在一定的誤差，但預(yù)測值仍具有一定的精度。

4 礦區(qū)地表開采沉降影響因素

由于地下礦產(chǎn)資源的開采使其上方覆蓋的巖層失去支撐，平衡條件被破壞，導(dǎo)致巖層產(chǎn)生移動、變形、破壞、塌落。采區(qū)上覆巖層的沉降及由此引起的地表移動是一個復(fù)雜的過程，受采礦方法、頂板控制、礦體厚度、傾角、開采強度、巖石物理力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、巖石風(fēng)化程度等因素的制約［15］。在23103 首采面開采過程中，其頂板巖性變化和開采速度變化較明顯，而采礦方法、煤厚、煤層傾角等參數(shù)無較大變化，因此該采區(qū)的開采地表沉降主要受頂板巖性變化和開采強度(工作面推進速度)的影響。

4.1 松散層厚度及基巖厚度

本研究選取工作面推進至360 ～1 798 m 的區(qū)域進行分析，該區(qū)域內(nèi)開采速度較均衡。統(tǒng)計區(qū)內(nèi)鉆孔數(shù)據(jù)，運用ArcGIS 軟件繪制出Ⅱ－3#煤層頂板松散層厚度、基巖厚度在工作面內(nèi)的分布情況見圖3。由圖3 可知:在工作面360 ～1 798 m 區(qū)域內(nèi)，基巖厚度與松散層厚度呈完全相反的分布形態(tài)，在工作面南部，推進至360 m 處，基巖最薄僅達77 m，而松散層厚度最大可達70 m，沿工作面推進方向向北，基巖逐漸變厚而松散層厚度則越來越薄，在工作面內(nèi)基巖北部厚度可達110 m 以上，松散層最薄約20 m。

運用ArcGIS 軟件對高程插值得出的23103 工作面內(nèi)走向觀測點處的基巖厚度曲線和松散層厚度曲線，并將其與工作面走向累計下沉曲線進行對比，結(jié)果見圖4。由圖4 可知:工作面推進至約360 m 處，基巖厚度最小，松散層厚度最大，而對應(yīng)距離內(nèi)的地表累計沉降量也最大，達到4.408 m;在約530 m 處，基巖突然變厚，松散層突然劇烈減薄，對應(yīng)的地表沉降量也驟然減小至3.5 m，之后工作面推進地段基巖逐漸變厚，松散層逐漸變薄但趨勢較緩，地表沉降變化雖不明顯，但亦同樣有減小的趨勢，說明該礦區(qū)地表沉降受基巖厚度、松散層厚度的影響較明顯。

圖3 23103 工作面煤層頂板基巖、松散層厚度分布Fig.3 Thickness distribution of bedrock and loose layer above 23103 working face coal seam

圖4 基巖厚度、松散層厚度和走向累計沉降量曲線Fig.4 Thickness of bedrock and loose layer and total subsidence curve of the strike line

礦區(qū)地表沉降與松散層基巖層厚度比值(HS/HJ)的關(guān)系如圖5 所示。由圖5 可知:當(dāng)HS/HJ≥0.4時，隨著HS/HJ值降低，地表沉降相應(yīng)減小;當(dāng)HS/HJ＜0.4 時，隨著HS/HJ值變化趨于穩(wěn)定，地表沉降變化幅度也逐漸減小。因此，在松散層厚度與基巖厚度比值較大的區(qū)域應(yīng)注意煤層開采引起的地表沉降問題。

圖5 走向累計沉降量與HS/HJ 的關(guān)系Fig.5 Relationship between total subsidence of the strike line and HS/HJ

4.2 開采強度(工作面推進速度)

在開采過程中，工作面頂板支護強度、面積等因素變化較小，因而影響地表沉降的主要因素為開采強度(工作面推進速度)。通過整理開采資料及對應(yīng)地段的地表觀測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計得出工作面推進速度以及隨著工作面開采地表動態(tài)沉降的最大值。為突出工作面推進速度對地表沉降的影響，選取工作面推進速度變化較明顯的320 ～1 798 m 地段進行統(tǒng)計，工作面隨著開采強度(工作面推進速度)的增加至平穩(wěn)，地表最大沉降值也逐漸變大至平穩(wěn)，在1 592 m 地段由于部分工程因素，開采速度變緩，地表沉降也隨之變小，可見該礦區(qū)地表沉降受開采強度(工作面推進速度)的影響較明顯，為防止地表沉降過大，應(yīng)嚴(yán)格控制開采強度(工作面推進速度)。

5 結(jié) 論

(1)盡管采用概率積分法預(yù)測的鄂爾多斯某礦區(qū)充分采動的地表沉降值與實測值存在一定的誤差，但仍具有一定的可靠性。

(2)礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定，地表沉降受松散層厚度、基巖厚度以及開采強度(工作面推進速度)的影響較明顯，相對而言，開采強度(工作面推進速度)對地表沉降的影響最為顯著。

(3)在礦區(qū)HS/HJ值較大的地段開采時，為防止地表沉降過大，可適當(dāng)降低開采強度(工作面推進速度)以保護礦區(qū)地表安全。

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