黃土溝壑區(qū)淺埋煤層大采高工作面開采地表移動特征研究

王碧清黃克軍曹新奇苗彥平，3

（1.陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西省榆林市，719300；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西省西安市，710065；3.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西省西安市，710054）

黃土溝壑區(qū)淺埋煤層大采高工作面開采地表移動特征研究

王碧清1黃克軍2，3曹新奇2苗彥平1，3

（1.陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西省榆林市，719300；2.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西省西安市，710065；3.西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西省西安市，710054）

針對神南礦區(qū)張家峁煤礦黃土溝壑區(qū)淺埋煤層大采高工作面開采地表移動的特殊性，在N15203工作面開采期間進(jìn)行了地表移動實測，分析結(jié)果表明：地表下沉曲線連續(xù)性較差，在地表移動初期地表沉降具有突變性；地表裂縫的出現(xiàn)呈現(xiàn)時間上的突然性，出現(xiàn)的地點呈固定距離分布，地表裂縫多發(fā)育在地形地貌不連續(xù)的拐點處。

黃土溝壑區(qū) 淺埋煤層 大采高工作面 地表移動

神南礦區(qū)張家峁煤礦地處毛烏素沙漠與陜北黃土高原的過渡地帶，井田地貌類型可分為風(fēng)沙灘地區(qū)、河谷區(qū)、黃土丘陵溝壑區(qū)。礦區(qū)內(nèi)第四系中上更新統(tǒng)黃土廣布，其特點是黃土覆蓋于老地層之上，厚度較大，一般50～100 m，由于受外應(yīng)力作用，形成一系列特殊的黃土地貌，地形復(fù)雜，溝壑縱橫，坎陡溝深，地表侵蝕強(qiáng)烈，有疏密不等的短小沖溝。張家峁煤礦目前主采5-2煤層，其埋藏深度100～150 m，煤層厚度5～7 m，采用一次采全高開采方法。淺埋煤層大采高工作面開采方法以及復(fù)雜的地表形態(tài)使得開采引起的地表移動變得異常復(fù)雜，有必要進(jìn)行地表巖層移動規(guī)律的觀測研究。

1　工程地質(zhì)條件

張家峁煤礦井田面積51.98 km2，可采煤層7層，地質(zhì)儲量8.65億t，可采儲量5.43億t。礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為600萬t/年，服務(wù)年限72年，采用綜合機(jī)械化開采，全部垮落法管理頂板。

N15203工作面地表位于前、后姚家峁西，郭家焉、平沙地東，單家峁北。工作面平均埋深128 m，設(shè)計采高為6.3 m，采用雙向割煤方式，往返一次割兩刀，正?；夭善陂g工作面沿煤層底板回采。

2　觀測方案設(shè)計

2.1觀測線布置形式選擇

本次的地表移動觀測采用剖面線觀測站的布置形式，其剖面線觀測站是在主斷面上（傾斜與走向）呈直線型布點?？紤]到N15203工作面的地表條件較為復(fù)雜，因此沿煤層走向方向與傾斜方向各布置一條觀測線。

2.2觀測線布置參數(shù)選取

布設(shè)測線時，根據(jù)N15203工作面地表條件，把每個測點之間的距離確定為15～20 m，個別測點根據(jù)具體地表條件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，走向觀測線長650 m，共布置測點32個，編號為Z1～Z32；傾向觀測線長700 m，共布置測點32個，編號為Q1～Q32，距切眼距離360 m，如圖1所示。測點采用預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)，中間用長度300 mm，直徑20 mm的鐵桿做標(biāo)志，標(biāo)志的頂部加工成球形，并鉆一個深5 mm，直徑為1～2 mm的孔作為測點標(biāo)志中心。埋設(shè)測點時，在標(biāo)定的位置挖一個直徑300～350 mm的坑，深度不小于60 mm，將測量標(biāo)志點埋設(shè)于地下。

圖1　觀測線布置示意

3　觀測結(jié)果分析

N15203工作面共進(jìn)行了6次全面觀測，4次日常觀測，通過對數(shù)據(jù)整理分析，取得了較為可靠的地表移動參數(shù)。

3.1采動過程中地表移動分析

部分走向觀測線（Z）動態(tài)下沉曲線如圖2所示。2013年6月26日對觀測區(qū)進(jìn)行了全面觀測，此時工作面已推進(jìn)20 m左右，各測點的移動幾乎無任何變化；隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)推進(jìn)160 m左右時（2013年7月29日），Z14～Z17測點有一個明顯的下沉。直到工作面推進(jìn)到560 m左右時（2013年10月18日），Z14點基本達(dá)到了最大下沉值1.9 m，這段時間正是Z14點的下沉活躍期。Z線各測點的下沉活躍期是隨著工作面的推進(jìn)而不斷變化的，由于地形的影響，各測點的下沉活躍期的長短也有所不同。當(dāng)?shù)乇矸€(wěn)定時，在所有的測點中，最大下沉發(fā)生在Z15測點，距離切眼60 m，最大下沉值為4.8 m。從Z線最后幾次觀測所得的沉降曲線可以看出觀測區(qū)以外采空區(qū)的下沉發(fā)展趨勢，即最大下沉應(yīng)該在3.7～3.9 m之間。

部分傾向觀測線（Q）動態(tài)下沉曲線如圖3所示。當(dāng)工作面推進(jìn)385 m左右時（2013年9月14日），Q線中部測點（Q13～Q23點）出現(xiàn)明顯的下沉，最大下沉量為1.95 m。2013年10月18日觀測時，地表的最大下沉為3.85 m，在最后幾次測量中，地表沉降已趨于穩(wěn)定，最大下沉發(fā)生在Q18測點，最大下沉值達(dá)到3.86 m。

地表下沉的大小、范圍與采空區(qū)的范圍和地表形態(tài)有直接關(guān)系。由于受頂板臺階式斷裂的影響，下沉曲線連續(xù)性較差，過度不是很平滑（尤其在拐點附近），這也是黃土溝壑區(qū)地表沉陷的一個特征。另外，受工作面地表特殊地形的影響，地表的最大下沉點未發(fā)生在采空區(qū)中心位置，而是有一定的偏離。走向觀測線各測點的最大下沉速度發(fā)生的時間是不一致的，各測點隨著工作面的推進(jìn)依次開始下沉，而后達(dá)到最大下沉速度，最后又逐漸減小。在對觀測站進(jìn)行的所有觀測中，很好地觀測到了Z17點的最大下沉，在2013年8月8日的觀測中，Z17點的最大下沉速度達(dá)到了391 mm/d，很好地反映了實際地表下沉規(guī)律，地表下沉具有突發(fā)性，即地表會在很短的時間內(nèi)產(chǎn)生較大的下沉，這也符合神南地區(qū)淺埋煤層開采地表下沉的一般規(guī)律。

3.2地表移動的角量分析

（1）起動距的確定。當(dāng)N15203工作面推進(jìn)約60 m位置時，地表對應(yīng)的觀測點Z12開始移動，即地表移動起動距為60 m。地表移動的起動步距不但與覆巖巖性結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與黃土層厚度、地下煤層的開采速度等因素有關(guān)，由于N15203工作面地表溝壑縱橫、地形復(fù)雜，起動距與其它礦區(qū)相比明顯要小。另外，因黃土層抗拉伸變形能力差，垂直裂隙非常發(fā)育，巖層內(nèi)部的移動變形在黃土層中的傳遞在很短時間內(nèi)就能完成，因此地表沉降在剛開始沉降時具有突變性。

圖2　走向觀測線（Z）動態(tài)下沉曲線

圖3　傾向觀測線（Q）動態(tài)下沉曲線

根據(jù)張家峁礦區(qū)覆巖賦存特性可知，土層厚度與基巖厚度差異較大。起動距的主要決定因素是基巖的厚度，用基巖厚度來確定的起動距是比較準(zhǔn)確的，由此得出起動距可由下式確定：

式中：L起——地表移動起動步距，取60 m；

H0——煤層平均埋深，取128 m；

n——相關(guān)系數(shù)；

h——黃土層厚度，取60 m。

由式（1）可得n=0.88，起動步距為基巖厚度的88%。

因此，張家峁礦區(qū)由于開采引起地表移動的起動步距可大致按基巖厚度的88%來判定。

（2）超前影響角的確定。為了掌握工作面推進(jìn)過程中前方地表開始下沉的位置，確定采動地表動態(tài)移動的影響情況，一般將工作面前方地表開始移動的點與此時工作面位置的連線和水平線在煤柱一側(cè)的夾角稱為超前影響角。超前影響角的計算公式為：

式中：L超——超前影響距，m；

ω——超前影響角，（°）。

根據(jù)觀測結(jié)果可確定，工作面前方地表移動的超前影響距L超為80 m，則由式（2）計算可得，超前影響角為57.9°。

3.3地表裂縫發(fā)育特征及分析

N15203工作面采深采厚比較小，地表移動的形式主要表現(xiàn)為臺階狀逐段斷裂坍塌，N15203工作面地表裂縫的分布特征如圖4～6所示。

圖4　觀測區(qū)域內(nèi)的滑坡示意

圖5　水平裂縫

圖6　裂隙的臺階落差

裂縫的發(fā)生、發(fā)展具有如下特點：

（1）時間上的突然性。當(dāng)工作面推進(jìn)到一定距離后，裂縫是在較短的時間內(nèi)形成的。在觀測期間，間隔一天時間地表裂縫就發(fā)生明顯變化，裂縫發(fā)育導(dǎo)致道路破壞，車輛無法通行。

（2）裂縫出現(xiàn)的地點成固定距離分布，裂縫間距相差不大，局部地方受特殊地形的影響可能會有所偏差。

（3）裂縫出現(xiàn)與實際地形地貌有密切聯(lián)系，多發(fā)育在地形地貌不連續(xù)的拐點處。

N15203工作面是以一定速度向前推進(jìn)的，其地表沉陷影響是由工作面通過覆巖以一定的超前影響角到達(dá)松散層與基巖接觸面以及地表的，工作面推進(jìn)位置不同，地表影響的范圍和程度也不相同，總體來說地表沉陷破壞顯現(xiàn)劇烈，地表沉陷破壞為連續(xù)臺階裂縫破壞，在近溝壑邊緣位置破壞更嚴(yán)重，發(fā)展范圍也比塬面位置大。

4　結(jié)論

（1）N15203工作面走向觀測線最大下沉點距離工作面切眼60 m，下沉值為4.8 m。觀測區(qū)以外采空區(qū)的最大下沉為3.7～3.9 m；傾向觀測線最大下沉值為3.86 m。地表下沉曲線連續(xù)性較差，過渡不是很平滑（尤其在拐點附近），地表沉降在剛開始沉降時具有突變性。

（2）N15203工作面地表移動起動距為60 m，根據(jù)張家峁礦區(qū)覆巖賦存特性可知，土層厚度與基巖厚度差異較大，起動距的主要決定因素是基巖的厚度，用基巖厚度來確定的起動距是比較準(zhǔn)確的，張家峁礦區(qū)由于開采引起地表移動的起動步距可按基巖厚度的88%來判定。

（3）N15203工作面地表裂縫呈現(xiàn)時間上的突然性，裂縫出現(xiàn)的地點成固定距離分布以及多發(fā)育在地形地貌不連續(xù)的拐點處等特點。

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（責(zé)任編輯 郭東芝）

Research on characteristics of ground surface movement of working face with high mining height in shallow coal seam in loess ravine region

Wang Biqing1，Huang Kejun2，3，Cao Xinqi2，Miao Yanping1，3
（1.Shenmu Zhangjiamao Mining Co.，Ltd.，Shaanxi Coal and Chemical Industry Group，Yulin，Shaanxi 719300，China；2.Shaanxi Coal and Chemical Technology Institute Co.，Ltd.，Xi'an，Shaanxi 710065，China；3.School of Energy，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an，Shaanxi 710054，China）

Aiming at the particularity of ground surface movement of working face with high mining height in shallow coal seam in loess ravine region in Zhangjiamao Coal Mine of Shennan mining area，surface movement was measured during the mining in N15203 working face.The results showed that the continuity of surface subsidence curve was not good，and the ground surface subsidence was mutational at the preliminary stage of surface movement.The surface cracks trended to appear suddenly and developed at the inflection points of discontinuous landforms，the locations of surface cracks distributed with a fixed distance.

loess ravine region，shallow coal seam，working face with high mining height，ground surface movement

TD325

A

王碧清（1967-），男，陜西岐山人，高級工程師。2000年畢業(yè)于西安科技大學(xué)采礦工程專業(yè)，現(xiàn)任陜煤集團(tuán)神木張家峁礦業(yè)有限公司總工程師，主要從事淺埋煤層開采技術(shù)管理工作。