厚沖積層大采深條件下的地表巖層移動規(guī)律探討

孔素麗 龐慶剛

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.開灤(集團)有限責任公司錢家營礦業(yè)分公司，河北 唐山 063301)

厚沖積層大采深條件下的地表巖層移動規(guī)律探討

孔素麗1龐慶剛2

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.開灤(集團)有限責任公司錢家營礦業(yè)分公司，河北 唐山 063301)

針對某礦厚沖積層大采深條件下的地表和巖層移動規(guī)律展開研究，通過建立地表移動變形觀測站，獲取了現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，采用理論分析和數(shù)值模擬等相結合的方式，求取了該礦厚沖積層大采深條件下的地表和巖層移動變形規(guī)律。利用1stOpt數(shù)據(jù)處理軟件分析了地表移動變形特征，得到了實測巖移角量參數(shù)，采用1stOpt軟件回歸分析得到了地質采礦要素與巖移參數(shù)間的關系式；并通過數(shù)值模擬，分析了厚沖積層大采深條件下采動巖體的應變特征和地表移動變形分布特征。

厚沖積層 大采深 開采沉陷 1stOpt

隨著煤炭資源的不斷開采，某礦大部分已屬于厚沖積層深部開采，隨著開采深度的逐步增大，礦井開采地質力學環(huán)境與淺部開采相比發(fā)生明顯改變，如仍采用過去的巖移參數(shù)，可能造成煤柱留設不合理，或者開采方案起不到保護地面建(構)筑物的作用。目前，我國多數(shù)礦區(qū)進行地表沉陷預測參數(shù)是基于采深小于400 m條件下的觀測站資料求得的，至今尚沒有厚沖積層大采深地質條件下較完整的巖移觀測站資料和各種地表與巖層移動參數(shù)，而且在《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》中給出的地表移動參數(shù)，大多也是淺部開采條件下的實測值。在深部開采條件下，如果仍然照搬淺部煤層開采的地表移動參數(shù)和方法進行沉陷預測，勢必會產生較大偏差，對煤炭資源的合理開發(fā)利用十分不利，甚至影響礦井的生產效益。因此，深入研究深部開采地表沉陷規(guī)律是目前深部礦井開采迫切需要解決的問題。

某煤礦某采區(qū)，地面標高+17.8～+24.2 m，地面有高壓線、樹林及溝渠，公路、礦內鐵路橫穿工作面，其余大部分為農田。煤層傾角1°～9°，平均為7°；煤層厚度3.0～5.5 m，平均4.0 m；煤層開采深度-645～-719 m，平均為-660 m；老頂為淺灰色細砂巖，頂板巖性為深灰色粉砂巖，平均厚2.34 m；底板巖性為深灰-灰褐色粉砂巖，平均厚7.1 m。根據(jù)該工作面附近現(xiàn)補23綜合柱狀圖，該工作面松散層厚度100 m，主要為砂土卵石和黏土卵石組成，基巖厚度602 m，主要由泥巖和砂質泥巖組成。在該區(qū)域的工作面上方建立開采影響地表移動觀測站，求取該地層條件下的巖層與地表移動規(guī)律及其預計參數(shù)，具有較好的代表性和實際意義，可為國內其他類似礦區(qū)開展“三下”采煤提供經驗參考和技術保障。

1 地表移動觀測站的建立和地表移動預測參數(shù)的求取

1.1 地表移動觀測站

考慮到礦農關系的和諧，地表移動觀測站沿礦內鐵路設置為非主斷面觀測站。觀測線的布置見圖1。本觀測站沿鐵路布置1條傾向觀測線，觀測線長約3.0 km，共有95個工作測點，平均間距25 m ；控制點一邊設3個，共6個，平均間距100 m。本次地表移動觀測依然采用傳統(tǒng)全站儀和水準測量技術。

本次地表移動觀測所用的主要儀器設備為萊卡全站儀和萊卡自動安平水準儀。全面觀測按5″導線測量的精度要求施測，水準施測按四等水準測量的精度要求進行。觀測站設置和各觀測工作均按《煤礦測量規(guī)程》及觀測站設計說明書的要求進行，各項觀測成果的精度符合規(guī)程要求。

該地表移動觀測站于2012年7月進行了連接測量和首次全面觀測，至2014年5月，共進行了11次水準測量，4次全面觀測，取得了大量寶貴的觀測資料，反映了地表移動與變形的真實情況。根據(jù)實測結果，統(tǒng)計了觀測線上的最大移動和變形值，見表1。并根據(jù)水準測量成果和最后一次全面觀測結果繪制了實測曲線圖和下沉實測曲線圖，見圖2和圖3。

圖1 某礦地表移動觀測站布置示意

由圖2和圖3可以看出，該工作面開采后地表移動與變形符合概率密度函數(shù)分布形態(tài)，即正態(tài)分布。厚沖積層覆蓋地區(qū)，綜采一次采全高條件下，傾向觀測線下沉曲線形態(tài)隨著開采尺寸的不斷增加變化不明顯，但下沉值不斷增大，當開采尺寸較小時，開采工作面尚未到達觀測線下方，此時下沉速度較小，下沉值增加較慢，從2012年8月22日至2012年10月24日，下沉值只增加了約100 mm；而隨著開采尺寸的持續(xù)增大，工作面推進到觀測線下方，此時的地表下沉速度加快，下沉值迅速增加，僅2012年10月24日至2012年12月8日的45 d時間，下沉值增加了約350 mm，每天下沉約7.8 mm；當工作面推過觀測線后，下沉速度有所減小，從2012年12月8日到2013年5月15日的219 d時間里，下沉值僅增加了約190 mm，下沉速度為1.2 mm/d，說明地表移動已經接近衰退期；之后，開采進入衰退期，下沉值增加非常緩慢，從2013年5月15日到2014年4月2日的541 d時間里，下沉值僅增加了約35 mm，平均每天下沉僅0.06 mm，說明地表已基本穩(wěn)定。

表1 實測地表最大移動變形值

圖2 地表移動觀測站移動變形實測曲線圖

圖3 地表移動觀測站移動變形下沉實測曲線圖

厚沖積層條件下，地表移動初始期較一般條件稍長，達到了67 d；活躍期較短(約60 d)，且變形集中，下沉速度較大；衰退時間最長，約750 d。并且，厚沖積層覆蓋條件下地表下沉曲線陡峭、變形分布相對集中、影響范圍較大，下沉曲線呈倒立的“草帽狀”，在“草帽”的中央下沉最大，在草帽的邊緣，下沉值小，但影響距離遠。

1.2 地表移動預測參數(shù)的求取

根據(jù)地表觀測站實測資料，采用概率積分法，采用逐步趨近的方法，求取了該礦地表移動預計參數(shù)，如表2。

2 地表移動規(guī)律分析

2.1 地表移動預計參數(shù)分析

表2 地表移動變形預計參數(shù)擬合值

目前，獲取地表移動參數(shù)的方法主要是建立地表移動觀測站進行實測，利用數(shù)理統(tǒng)計或力學等方法對實測資料進行研究求取地表移動參數(shù)。然而，由于多種因素的影響，通過建立地表移動觀測站，尤其是在深部開采條件下，進行實測求取巖層與地表移動預計參數(shù)的方法越來越困難。因此，本項目根據(jù)觀測站實測資料，并總結以往的觀測資料，利用1stOpt軟件的分析功能，對在深部開采條件下地表移動角量參數(shù)的影響因素-采深、采厚、松散層厚度及其之間的關系進行回歸分析，為該礦某采區(qū)建立一套不同深度開采條件下的地表移動參數(shù)的變化曲線。

(1)下沉系數(shù)q特性分析。地表下沉系數(shù)是表征地表移動規(guī)律的重要參數(shù)，也是進行地表移動和變形預計的關鍵參數(shù)，其取值的準確與否直接影響到預計結果的精度。實測及理論研究表明，下沉系數(shù)q主要與上覆巖層巖性、采深、采動次數(shù)、采動程度、松散層厚度等因素有關。采用回歸分析，下沉系數(shù)q與采深、采厚和松散層厚度間的關系可表示為

式中，m為開采厚度，m；H為平均采深，m；h為松散層厚度，m。

(2)水平移動系數(shù)b特性分析。水平移動系數(shù)是反映地表點最大水平移動值與最大下沉值之間關系的一個參數(shù)。采用回歸分析，它與采深和松散層厚度可表示為

(3)主要影響角正切tanβ特性分析。主要影響角正切是表征地表移動變形集中程度的參數(shù)。研究表明，主要影響角正切主要與采深、采厚、覆巖巖性和采動程度有關。受煤層傾角的影響，主要影響角正切分為下山、上山和走向，由于實測資料不足，只分析下山主要影響角正切。采用回歸分析，它與采深、采厚和松散層厚度的關系可表示為

主要影響角正切隨著h/(H-h)的增大逐漸減小，即松散層厚度越大，開采沉陷的集中程度越差，影響半徑越大，主要影響角正切值越小。當?shù)乇頍o松散層覆蓋時，主要影響角正切達到最小值1.572 2。

(4)拐點偏移距s特性分析。拐點偏移距主要與采深、覆巖巖性、回采工作面尺寸和鄰近開采影響有關。一般來說，拐點偏移距隨著工作面尺寸的增大而增大，當尺寸達到充分采動后，基本不再增大。拐點偏移距隨著松散層厚度的增加而減小。根據(jù)以往研究成果，采用回歸分析，拐點偏移距可近似表示為

2.2 地表移動特性分析

由此可以看出，該礦厚沖積層覆蓋地區(qū)的地表移動變形與一般條件下相比，除了具有開采沉陷的普遍特征，還具有自身的特殊性，可進一步從實測曲線與概率積分法預測曲線之間的對比圖4看出。

圖4 厚沖積層覆蓋地區(qū)實測與預測下沉曲線對比圖

由地表移動實測與預測下沉曲線對比圖4可以看出，實測曲線與預測曲線的形態(tài)基本相同，主要影響半徑相差不大(差值為33 mm)，拐點偏移距相差較小(相差7 mm)，最大下沉值基本相同(相差44 mm)。這說明采用概率積分法預測該煤礦厚沖積層覆蓋區(qū)域的地表移動變形是可行的。

但是，從對比曲線圖4也能夠看出二者之間的不同，和一般開采條件下的下沉曲線相比，該煤礦厚沖積層地區(qū)的實測下沉曲線下沉值相對集中，而且下沉盆地范圍較大，這主要是由于厚沖積層覆蓋條件下，地表沉陷表現(xiàn)出散體的下沉特征，即沉陷較為集中，且移動盆地邊緣收斂速度慢，特別是松散層內存在潛水時，受水位降深的影響，帶動了松散層在水平上的移動。分析結果表明，這種因收斂速度不同造成的沉陷范圍差異最大可以占到采深的50%。因此，在預測厚沖積層覆蓋地區(qū)因采動引起的地表移動變形時，需要適當考慮沉陷盆地邊緣收斂慢問題。

從上面的分析可以看出，該煤礦觀測站的地表移動具有厚沖積層覆蓋地區(qū)深部開采的特征，即下沉系數(shù)偏大(0.96)、主要影響角正切值(1.89)較大，下沉盆地影響范圍大、盆地變形值小且收斂慢、盆地中央下沉值較大且集中，邊界角較小而移動角較大。同時，由于深部單一工作面開采，地表很難達到充分采動，致使開采期間動態(tài)變形值較小、地表移動不劇烈、對地表破壞程度較小，采厚不大時，一般不出現(xiàn)地裂縫。

由于厚沖積層和深部開采的雙重作用，地表移動持續(xù)時間一般較長，但劇烈活躍期較短，一般只占總時間的5%～10%；而衰退期時間較長，占到總時間的80%～85%。

3 結 論

通過本項目的實施，可以使厚沖積層大采深條件下礦井留設的各種保護煤柱尺寸更加科學合理，既保障了礦井的安全生產，又有效地提高煤炭資源的利用效率，在延續(xù)礦井服務年限、提高經濟效益方面具有重要的意義。同時，為解決厚沖積層大采深條件下礦山的開采影響和礦山地質環(huán)境治理問題提供了技術保障，應用效果顯著。該項目的推廣和應用能夠為相似礦山科學合理地留設各類保護煤柱、預測采動變形影響、優(yōu)化采區(qū)布置、恢復和治理礦山環(huán)境等提供技術保障。

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(責任編輯 石海林)

Discussion on Ground Movement and Deformation of the Thick Unconsolidated Layers Under the Great Mining Depth

Kong Suli1Pang Qinggang2

(1.TangshanResearchInstitute，ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroup，Tangshan063012，China；2.QianjiayingMiningBranchofKailuan(Group)LimitedLiabilityCompany，Tangshan063301，China)

Research on movement law of surface and rock strata for a mine with great mining depth and thick alluvium is carried out.Through the establishment of surface movement and deformation observation station，the field data are obtained.With use of theoretical analysis and numerical simulation method，the deformation laws of surface and rock strata for a mine with great mining depth and thick alluvium is gained.Surface deformation characteristics are analyzed by using 1stOpt data processing software，and the field rock shift angle parameters are measured.The regression analysis by 1stOpt software can gain the relationship of geological and mining factors and rock movement parameters.Through the numerical simulation，the strain characteristics of mining rock and the distribution characteristics of surface movement and deformation under conditions of great mining depth and thick alluvium are analyzed.

Thick unconsolidated layers，Great mining depth，Mining subsidence，1stOpt

2015-02-04

孔素麗(1981—)，女，助理研究員。

TD17

A

1001-1250(2015)-04-201-04