巨厚白堊系砂巖下地表移動(dòng)規(guī)律觀測(cè)研究

余學(xué)義，劉俊杰，郭文彬，許文強(qiáng)

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.教育部西部礦井開采與災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

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巨厚白堊系砂巖下地表移動(dòng)規(guī)律觀測(cè)研究

余學(xué)義1,2，劉俊杰1,2，郭文彬1,2，許文強(qiáng)1,2

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.教育部西部礦井開采與災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

[摘要]針對(duì)彬長(zhǎng)礦區(qū)開采煤層覆巖上段厚黃土層、厚洛河組砂巖的特殊條件，在亭南煤礦進(jìn)行了地表移動(dòng)觀測(cè)。觀測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，洛河組砂巖對(duì)地表移動(dòng)變形起著控制作用，在極不充分開采條件下，地表移動(dòng)很小，下沉率僅為0.046，地表變形微弱，不會(huì)對(duì)地表建筑設(shè)施造成損壞；在接近充分采動(dòng)條件下，地表移動(dòng)增幅較大，變形明顯，下沉率達(dá)到0.22，但遠(yuǎn)未達(dá)到最大下沉值；非充分采動(dòng)沉陷范圍與充分采動(dòng)基本一致，黃土層的移動(dòng)角大小取決于黃土層厚度和坡度。

[關(guān)鍵詞]白堊系砂巖；地表移動(dòng)；非充分采動(dòng)；角值參數(shù)

彬長(zhǎng)礦區(qū)開采的4號(hào)煤層屬于黃隴侏羅紀(jì)煤田，從煤層頂板至地表，覆巖賦存順序依次為侏羅系延安組、安定組，白堊系，新近系，第四系。開采煤層覆巖結(jié)構(gòu)特殊：白堊系砂巖厚度一般均在100～300m范圍，在亭南二盤區(qū)觀測(cè)區(qū)洛河組砂巖厚度為231.46～312.80m；地表為黃土殘塬地貌，溝壑切割嚴(yán)重。洛河組巨厚砂巖位于開采煤層覆巖上段、巖性較硬，其對(duì)地表沉陷起控制作用，表土層厚度及地形對(duì)地表移動(dòng)變形也影響較大[1-2]，地表移動(dòng)特征是表土層與洛河組砂巖運(yùn)動(dòng)的耦合結(jié)果[3-8]。針對(duì)彬長(zhǎng)礦區(qū)這種特殊地層結(jié)構(gòu)條件下地表移動(dòng)規(guī)律的觀測(cè)研究不多，已有的觀測(cè)研究均在單一工作面開采條件下進(jìn)行[9]。本文通過對(duì)亭南煤礦連續(xù)開采2個(gè)工作面的地表移動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，給出彬長(zhǎng)礦區(qū)白堊系巨厚洛河組砂巖和黃土溝坡地表?xiàng)l件下的地表移動(dòng)規(guī)律，為彬長(zhǎng)礦區(qū)的開采損害防治提供可借鑒的參數(shù)。

1觀測(cè)區(qū)地質(zhì)地形條件

觀測(cè)區(qū)為亭南煤礦二盤區(qū)204，205工作面。205為204接替工作面，工作面之間留有30m區(qū)段煤柱。開采侏羅系4號(hào)煤層，煤層平均厚度17m，傾角2°，煤層埋深475～693m，平均575m。204，205工作面寬度均為200m，采用分層綜采方法開采，分層開采厚度為5～6m。根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)，觀測(cè)區(qū)洛河組砂巖厚度為231.46～312.80m。地表為黃土溝壑地形，黑河流經(jīng)開采工作面對(duì)應(yīng)地表中、北部。

2地表移動(dòng)觀測(cè)站布設(shè)

受地表地形及黑河河道影響，在開采影響地表范圍布置2條傾斜觀測(cè)線。A線距205工作面開切眼300m，沿傾斜方向投影長(zhǎng)度840m，布設(shè)A1～A27共27個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間間距30m；B線距204工作面開切眼175～487m，沿傾斜方向投影長(zhǎng)度784m，布設(shè)B1～B31共31個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間間距30m。觀測(cè)站布設(shè)見圖1。

圖1　地表移動(dòng)觀測(cè)站布設(shè)

3204工作面開采地表移動(dòng)規(guī)律

根據(jù)B觀測(cè)線觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，204工作面開采后，地表移動(dòng)分布如圖2所示。最大下沉值Wmax=246mm，下沉率q′=0.246/5.3=0.046。最大水平移動(dòng)為u=83mm，最大水平移動(dòng)與最大下沉的比值b=0.083/0.246=0.337。地表未出現(xiàn)裂縫破壞，地表變形破壞在Ⅰ級(jí)范圍內(nèi)，黃土溝壑邊坡穩(wěn)定。根據(jù)極不充分采動(dòng)條件分析[10]，工作面的東北塬面位置，開采寬度與開采深度之比小于1/3，屬于極不充分采動(dòng)；而位于河灘和溝坡的部分，埋深淺，為非充分采動(dòng)。但是受洛河組砂巖控制作用，204工作面開采后地表移動(dòng)變形值均小于臨界變形值，綜合邊界角為56.5°，地表移動(dòng)變形表現(xiàn)為極不充分特征。地表移動(dòng)變形最大值見表1。

圖2　B線地表移動(dòng)分布規(guī)律

變形參數(shù)絕對(duì)值最大值臨界變形值i/(mm·m-1)2.90±3.0K/(10-3·m-1)0.13±0.2ε/(mm·m-1)0.76±2.0

4204，205工作面開采地表移動(dòng)規(guī)律

205工作面開采后，開采寬度達(dá)到430m，屬于接近充分采動(dòng)條件[11]的非充分采動(dòng)。205工作面開采期間對(duì)地表A，B 2條觀測(cè)線進(jìn)行了觀測(cè)，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比計(jì)算分析，獲得了地表移動(dòng)基本規(guī)律及其參數(shù)。

4.1A線確定的地表移動(dòng)參數(shù)

A線觀測(cè)的地表點(diǎn)下沉與水平移動(dòng)規(guī)律，如圖3所示。地表下沉最大值Wmax=900mm，位于A27點(diǎn)，距開采邊界150m。下沉率q′=0.9/5.5=0.16。地表最大水平移動(dòng)值達(dá)到u=187mm，位于A21點(diǎn)，距開采邊界-30m，最大水平移動(dòng)與最大下沉的比值b=0.187/0.9=0.207。

應(yīng)用插值法確定了地表綜合邊界角為56.05°，地表綜合移動(dòng)角為65.67°。

圖3　A線地表移動(dòng)分布規(guī)律

4.2B線確定的地表移動(dòng)參數(shù)

B線觀測(cè)的地表點(diǎn)下沉與水平移動(dòng)分布規(guī)律，如圖2所示。地表下沉最大值Wmax=1177mm，位于B6點(diǎn)，距開采邊界-172.7m，下沉率q′=1.177/5.3=0.22。地表最大水平移動(dòng)值達(dá)到u=-687.2mm，位于B13點(diǎn)，距開采邊界-26m，最大水平移動(dòng)與最大下沉的比值b=0.6872/1.177=0.58。

同樣應(yīng)用差值法，確定地表綜合邊界角為54.11°，綜合移動(dòng)角為61.12°。

4.3黃土層和基巖的移動(dòng)角值分析

如圖4，求得松散層邊界角和基巖邊界角的函數(shù)關(guān)系如下：

hcotφ+Hcotδ0=L

(1)

式中，h為邊界點(diǎn)處松散層厚度，m；H為邊界點(diǎn)處基巖厚度，m；φ為松散層邊界角，(°)；δ0為基巖邊界角，(°)；L為邊界點(diǎn)到開采邊界的水平距離，m。

圖4　松散層邊界角和基巖邊界角的關(guān)系

根據(jù)式(1)，以A線、B線為基礎(chǔ)建立關(guān)于邊界角的聯(lián)立方程式(2)、(3)，由于A線、B線所在區(qū)域基巖巖性相同，厚度大致相等，因而由A線確定的基巖邊界角和由B線確定的基巖邊界角是相等的，即均為δ0，同理A線、B線確定的基巖移動(dòng)角也是相等的，均為δ。

hAcotφA+HAcotδ0=LA

(2)

hBcotφB+HBcotδ0=LB

(3)

式中，hA，HA，LA，hB，HB，LB為已知量，其分別為：兩觀測(cè)線邊界角、移動(dòng)角位置的土層厚度、基巖厚度和距開采邊界的距離，φA，φB，δ0為未知量；φA，φB分別為A，B觀測(cè)線土層移動(dòng)角。

參照上述關(guān)系式，得松散層移動(dòng)角和基巖移動(dòng)角的函數(shù)關(guān)系為：

h′cotφ+H′cotδ0=L′

(4)

式中，h′為臨界變形點(diǎn)處土層厚度；H′為臨界變形點(diǎn)處基巖厚度；φ為土層移動(dòng)角，一般情況下土層邊界角和移動(dòng)角相等；δ為基巖移動(dòng)角；L′為臨界變形點(diǎn)到開采邊界的水平距離。

以A，B觀測(cè)線為基礎(chǔ)建立關(guān)于移動(dòng)角的聯(lián)立方程：

hA′cotφA+HA′cotδ=LA′

(5)

hB′cotφB+HB′cotδ=LB′

(6)

式中，hA′，HA′，LA′，hB′，HB′，LB′為已知量，φA，φB，δ為未知量。

綜合以上2個(gè)聯(lián)立方程，即可以解出φA，φB，δ0，δ值。求得φA=42°，φB=45°，δ0=56.5°，δ=65.7°。相關(guān)角值參數(shù)見圖2、圖3中標(biāo)注。

5地表移動(dòng)變形特征分析

對(duì)比分析表2中204和205工作面開采地表移動(dòng)參數(shù)特點(diǎn)如下：

(1)204工作面開采地表移動(dòng)很小，下沉率僅為0.046，地表變形在Ⅰ級(jí)范圍以內(nèi)，盡管開采條件屬非充分采動(dòng)，但是地表移動(dòng)變形表現(xiàn)為極不充分開采地表移動(dòng)變形特征，主因是巨厚洛河組砂巖位于覆巖上段，將下位巖層移動(dòng)變形轉(zhuǎn)變?yōu)槁搴咏M砂巖的撓曲變形，204一個(gè)工作面開采時(shí)，地表移動(dòng)變形是洛河組砂巖的撓曲變形的基本形態(tài)。

(2)205工作面開采后，已接近充分采動(dòng)條件，地表移動(dòng)增幅較大，下沉率達(dá)到0.22，變形明顯，綜合移動(dòng)角達(dá)到61.12°，但地表下沉值遠(yuǎn)未達(dá)到該條件下的最大下沉值，同樣說明巨厚洛河組砂巖對(duì)地表移動(dòng)變形起著控制作用。

(3)由圖2、圖3對(duì)比205工作面開采A，B觀測(cè)線地表移動(dòng)和松散土層厚度、坡度變化， A線一側(cè)松散層厚度為0.5～26.2m，B線一側(cè)松散層厚度為115m，在較大厚度黃土層重力加載作用下，B線一側(cè)下沉率要大，即qB′>qA′；受松散層厚度及坡度影響，松散層厚度越大、坡度越緩，松散層移動(dòng)角越大，φB>φA；B線觀測(cè)表明204工作面開采與205工作面開采引起地表沉陷范圍基本一致，說明在巨厚洛河組砂巖控制條件下，非充分采動(dòng)的影響范圍接近于充分采動(dòng)條件下影響范圍。204和205工作面觀測(cè)線地表移動(dòng)參數(shù)對(duì)比見表2。

表2　地表移動(dòng)參數(shù)對(duì)比

6結(jié)論

(1)根據(jù)204和205工作面開采地表移動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析得出，在極不充分采動(dòng)條件下的下沉率為0.046，綜合邊界角為56.5°；接近充分采動(dòng)條件下的下沉率為0.22，綜合邊界角為54.11°，綜合移動(dòng)角為61.12°；采用解析法得出基巖移動(dòng)角、邊界角分別為65.7°，56.5°；開采區(qū)東側(cè)厚而平緩黃土層移動(dòng)(邊界)角為45°，西側(cè)緩坡薄土層移動(dòng)(邊界)角為42°；非充分采動(dòng)沉陷范圍與充分開采基本一致。

(2)巨厚洛河組砂巖控制著地表的移動(dòng)變形。開采煤層上覆巖層移動(dòng)變形發(fā)育到洛河組砂巖時(shí)，這種移動(dòng)變形轉(zhuǎn)變?yōu)槁搴咏M砂巖撓曲變形，地表移動(dòng)變形受洛河組砂巖的撓曲變形控制。

(3)地表黃土層厚度、坡度對(duì)地表移動(dòng)影響較大。黃土層厚度越大，重力加載越大，下沉率也越大。黃土層厚度大、坡度緩條件下黃土層移動(dòng)角

相對(duì)較大；黃土層薄、坡角大條件下黃土層移動(dòng)角相對(duì)較小。

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[責(zé)任編輯：施紅霞]

Surveying of Surface Movement Rule with Giant Thick Cretaceous Sandstone

YU Xue-yi1，2，LIU Jun-jie1，2,GUO Wen-bin1，2，XU Wen-qiang1，2

(1.Energy & Resource School，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；2.Education Ministry Key Laboratory of West Mine Mining & Disaster Prevention，Xi’an 710054，China)

Abstract：On the basis of thick Luohe formation sandstone and thick loess layer of upper overburden of mining coal seam of Binchang coal mine district，surface movement of Tingnan coal mine was surveyed.The results showed that surface movement deformation was controlled by Luohe sandstone，surface movement was small under extremely inadequate mining，subsidence ratio was only 0.046，surface deformation was small，buildings on surface would not be destroyed，surface movement increased obviously under nearly extremely adequate mining，subsidence ratio reached 0.22，but its smaller than the maximal subsidence value，mining subsidence scope was consistent basically between inadequate mining and adequate mining，the value of loess layer movement angle depend on loess layer thickness and slope.

Key words：cretaceous sandstone；surface movement；inadequate mining；angle parameter

[收稿日期]2015-08-19

[基金項(xiàng)目]高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20106121110003)；陜西省自然科學(xué)基金(2011JS005)；陜西省巖層控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(13JS066)

[作者簡(jiǎn)介]余學(xué)義(1955-)，男，陜西定邊人，教授，博士生導(dǎo)師，從事采動(dòng)損害及防護(hù)方面的教學(xué)與研究工作。

[中圖分類號(hào)]TD325.4

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2016)02-0015-03

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.02.005

[引用格式]余學(xué)義，劉俊杰，郭文彬，等.巨厚白堊系砂巖下地表移動(dòng)規(guī)律觀測(cè)研究[J].煤礦開采，2016，21(2)：15-17，14.