厚松散層綜放開采條件下地表巖移參數(shù)分析

鄭志剛，滕永海

(1.中國礦業(yè)大學(北京)地球與測繪工程學院，北京 100083；2.中煤科工集團 唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

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厚松散層綜放開采條件下地表巖移參數(shù)分析

鄭志剛1,2，滕永海2

(1.中國礦業(yè)大學(北京)地球與測繪工程學院，北京 100083；2.中煤科工集團 唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

[摘要]以潞安礦區(qū)地表巖移觀測站實測資料為基礎(chǔ)，分析了厚松散層綜放開采條件下地表靜態(tài)變形和動態(tài)變形的特點，運用回歸分析方法對概率積分法地表移動預計參數(shù)、地表動態(tài)變形參數(shù)進行了歸納分析，得到了地表移動參數(shù)與地質(zhì)采礦條件之間的函數(shù)關(guān)系式，研究對厚松散層下厚煤層“三下” 開采及地表移動預計有一定指導意義。

[關(guān)鍵詞]厚松散層；綜放開采；巖移參數(shù)；動態(tài)巖移參數(shù)；回歸分析

大量實測資料表明，厚松散層是影響地表移動盆地形態(tài)、巖移參數(shù)及其變化規(guī)律的重要因素[1-2],由于松散層自身的特殊性和地層結(jié)構(gòu)的復雜性，在同一礦區(qū)甚至同一采區(qū)，地層條件變化也會導致地表移動變形規(guī)律及巖移參數(shù)出現(xiàn)較大差異，給厚松散層礦區(qū)“三下”采煤及地面建筑物保護帶來一定困難。因此，分析研究厚松散層下地表移動變形參數(shù)，揭示其內(nèi)在的變化規(guī)律，對煤炭資源的開采、環(huán)境保護等具有重要的實際意義[3-4]。

為了掌握厚松散層綜放開采條件下地表移動變形規(guī)律，潞安集團先后在王莊煤礦、司馬煤礦、高河煤礦等進行了大規(guī)模的開采試驗，并建立了地表巖移觀測站，進行了系統(tǒng)的觀測與研究，獲得了厚松散層下開采地表巖移預計參數(shù)、動態(tài)變形參數(shù)，以及相關(guān)參數(shù)與地質(zhì)采礦因素的相互關(guān)系。

1試驗區(qū)地質(zhì)采礦條件

潞安礦區(qū)位于山西省東南部，沁水煤田的東部中段，礦區(qū)多為厚松散層所覆蓋，地質(zhì)條件比較簡單，開采煤層為山西組3號煤，賦存穩(wěn)定，煤厚6.2～7.0m，煤層傾角3～6°，采深248～530m，均采用綜采放頂煤開采工藝，全部陷落法管理頂板。各試驗工作面開采情況見表1。

表1　試驗工作面開采情況

試驗區(qū)煤層上覆地層主要為山西組、下石盒子組、上石盒子組及第三系、第四系地層，基巖巖性以砂巖、粉砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，厚度為62～336m，第三系、第四系地層主要由亞砂土、亞黏土、黏土、砂組成，厚度為110～189m。各試驗區(qū)地層賦存條件相似，為其內(nèi)在規(guī)律的研究提供了有利條件。

2地表移動變形觀測

潞安礦區(qū)在試驗區(qū)地表建立了5個地表移動觀測站，共布設(shè)了5條走向觀測線，7條傾向觀測線；走向線長640～1120m，傾向線長870～920m，共設(shè)工作測點430個，測點間距20～25m，控制點31個，控制點間距45m左右。在采動期間進行了系統(tǒng)的觀測與研究，獲得了相關(guān)的概率積分法巖移預計參數(shù)、角值參數(shù)和動態(tài)變形參數(shù)[5-8]，見表2，3，4。表2中S為拐點偏移距，m；H為開采深度，m。

表2　概率積分法巖移預計參數(shù)

表3　巖層移動角值參數(shù)

表4　動態(tài)地表變形參數(shù)

3地表移動規(guī)律

3.1靜態(tài)地表移動規(guī)律

圖1　地表下沉曲線

3.1.1地表下沉盆地形態(tài)

根據(jù)實測資料，求取了不同時期工作面地表的移動變形值，并繪制了地表下沉曲線圖，見圖1。

從圖1可以看出，在厚松散層綜采放頂煤條件下，地表移動變形非常劇烈，采空區(qū)正上方下沉值大，開采邊界附近下沉曲線陡峭，傾斜變形大，邊界以外曲線比較平緩，下沉值小，但擴展范圍大。通過巖層移動角值參數(shù)同樣可以看出，邊界角偏小，移動角、裂縫角略大，表明采動影響范圍大，但采動損害臨界點范圍較小。

通過對比各觀測結(jié)果可知，在厚松散層條件下，基巖厚度與下沉盆地的形態(tài)有一定關(guān)系，基巖越薄，下沉曲線越陡，基巖越厚，下沉曲線越平緩。

3.1.2下沉系數(shù)

地表下沉系數(shù)與采煤方法、頂板管理方法、上覆巖層巖性、重復采動、開采深度、第四紀松散層厚度等因素有關(guān)。在其他條件基本相同時，與基巖厚度、松散層厚度密切相關(guān)。通過分析發(fā)現(xiàn)，地表下沉系數(shù)q與松散層厚度h、基巖厚度H0之比h/H0呈線性關(guān)系。其關(guān)系式如下：

q=0.764+0.1017h/H0

(1)

圖2為地表下沉系數(shù)q與h/H0的相關(guān)曲線圖。從圖中可知，上覆地層中松散層厚度所占比重越大，地表下沉系數(shù)越大；反之，下沉系數(shù)越小。

圖2　q與h/H0相關(guān)曲線

3.1.3水平移動系數(shù)

水平移動系數(shù)b主要與上覆巖層性質(zhì)有一定的關(guān)系，與其他因素關(guān)系不大。分析厚松散層條件下地表移動系數(shù)b與松散層厚度h、開采深度H之比h/H之間的關(guān)系見圖3。其函數(shù)關(guān)系為：

b=0.2092h/H+0.167

(2)

圖3　b與h/H相關(guān)曲線

3.1.4主要影響角正切

主要影響角正切tanβ的大小與采煤方法、頂板管理方法、上覆巖層、松散層厚度等因素有關(guān)。當采煤方法、頂板管理方法基本相同時，主要與煤層上覆基巖、松散層的厚度有關(guān)。圖4繪制了主要影響角正切tanβ與松散層厚度h和上覆巖層H0之比h/H0的相關(guān)曲線。關(guān)系式如下：

tanβ=2.607+0.2176h/H0

(3)

圖4　tanβ與h/H0相關(guān)曲線

3.1.5拐點偏移系數(shù)

通常，拐點偏移系數(shù)S/H與上覆巖層的巖性、開采深度、煤層傾角、采動程度、重復采動、邊界煤柱的尺寸、開采邊界有無老采區(qū)等因素有關(guān)。由于厚松散層條件下，淺部開采時其拐點偏移系數(shù)偏小，而在深部開采時其拐點偏移系數(shù)亦較小，導致拐點偏移系數(shù)規(guī)律性較差，與地質(zhì)采礦條件相關(guān)性不明顯。

3.1.6開采影響傳播系數(shù)

開采影響傳播角θ0取決于煤層傾角及開采影響傳播系數(shù)K，K主要與上覆巖層巖性、煤層開采深度等有關(guān)。分析發(fā)現(xiàn)，厚松散層下K與H0呈對數(shù)關(guān)系，如圖5所示。其關(guān)系式如下：

K=0.145lnH0-0.045

(4)

圖5　K回歸曲線

3.2動態(tài)地表移動規(guī)律

3.2.1動態(tài)地表移動變形

表5列出了1101，6206，w1303工作面的最大動態(tài)和最大靜態(tài)地表變形值?？梢钥闯觯诤袼缮泳C放開采條件下動態(tài)地表變形值非常大，遠超一般建筑物所能承受的地表變形值。

由表5可以看出，最大動態(tài)傾斜值為靜態(tài)傾斜值的0.83～0.89，最大動態(tài)負曲率值為靜態(tài)負曲率值的0.62～0.92，最大動態(tài)正曲率值為靜態(tài)正曲率值的0.63～0.96，最大動態(tài)壓縮變形值為靜態(tài)壓縮變形值的0.39～0.81，最大動態(tài)拉伸變形值為靜態(tài)拉伸變形值的0.43～0.81；動態(tài)傾斜受采深(或基巖厚度)的影響不大，動態(tài)曲率與靜態(tài)曲率之比隨采深(或基巖厚度)增大有所減小，動態(tài)水平變形與靜態(tài)水平變形之比則隨采深(或基巖厚度)增加顯著減小。

表5　最大動態(tài)地表移動變形值與最大靜態(tài)地表變形值

3.2.2地表最大下沉速度

地表下沉速度Vm是反映地表動態(tài)變形的主要指標，它取決于煤層開采厚度、開采深度、煤層傾角、工作面推進速度、上覆巖層巖性、采煤方法和頂板管理方法等因素。

(5)

式中，C為工作面推進速度，m/d；H0為工作面平均采深，m；Wm為地表最大下沉值，mm。

3.2.3下沉速度滯后角

地表最大下沉速度滯后角與開采深度、煤層傾角、工作面推進速度、上覆巖層巖性、采煤方法和頂板管理方法等因素有關(guān)。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，下沉速度滯后角φ與開采深度H、松散層厚度h及工作面推進速度C有關(guān)，與h·C/H呈近似對數(shù)關(guān)系，相關(guān)曲線見圖6。其關(guān)系式如下：

φ=-5.2812ln(h·C/H)+78.984

(6)

圖6　φ與hc/H相關(guān)曲線

3.2.4地表移動延續(xù)時間

地表移動延續(xù)時間t與煤層開采深度、煤層開采厚度、煤層傾角、工作面推進速度、采煤方法、頂板管理方法、上覆巖層巖性、重復采動等因素有關(guān)。

在厚松散層綜放開采條件下，地表移動活躍期較短，衰退期偏長，但活躍期內(nèi)地表累計下沉量所占比重較大。通過分析發(fā)現(xiàn)，開采深度、松散層厚度對地表移動持續(xù)時間有明顯的影響。圖7繪制了地表移動延續(xù)時間T與H，h的相關(guān)曲線圖。其關(guān)系式如下：

T=31.459×10-4·Hh+252.1

(7)

圖7　T與H·h相關(guān)曲線

4結(jié)論

(1)在厚松散層綜采放頂煤條件下，地表移動盆地影響范圍較大，采空區(qū)上方下沉量大，采空區(qū)邊界下沉盆地陡峭，變形劇烈，盆地邊緣平緩，邊界角偏小，移動角與裂縫角略大。

(2)地表下沉系數(shù)、主要影響角正切隨松散層厚度的增加而增大，隨基巖厚度的增加而減小；水平移動系數(shù)隨松散層厚度的增加而增大，隨開采深度的增加而減??；開采影響傳播系數(shù)隨基巖厚度增加而增大。

(3)動態(tài)傾斜受采深(或基巖厚度)的影響不大，動態(tài)曲率與靜態(tài)曲率之比隨采深(或基巖厚度)增大有所減小，動態(tài)水平變形與靜態(tài)水平變形之比則隨采深(或基巖厚度)增加顯著減小，表明厚松散層綜放開采下豎直方向的移動變形加快，水平方向上的移動變形則相對滯后。

(4)地表下沉速度與地表最大下沉值成正比，與工作面推進速度的平方根成正比，與采深成反比；下沉速度滯后角與h·C/H呈近似對數(shù)關(guān)系；地表移動持續(xù)時間與煤層開采深度、松散層厚度有關(guān)，開采深度越大、松散層越厚，地表的移動持續(xù)時間越長。

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[責任編輯：李青]

Ground Surface Rock Strata Movement Parameters of Thick Loose Strata with Fully Mechanized Top Coal Caving

ZHENG Zhi-gang1，2，TENG Yong-hai2

(1.Geosciences and Surveying Engineering College，China University of Mining & Technology (Beijing)，Beijing 100083,China;2.CCTEG Tangshan Research Institute，Tangshan 063012，China)

Abstract：On the basis of measured data of ground surface movement of Lu’an coal district，the characters of dynamic deformation and static deformation of thick loose strata with fully mechanized top coal caving were analyzed，prediction parameters of ground surface movement and deformation parameters of probability integral method were analyzed by regression analysis method，then function relation between ground movement parameters and geological situation of mining was put forward，the results referring for ‘three under’ mining with thick loose strata in extra thick coal seam and ground surface movement predicting.

Key words：thick loose strata；fully mechanized top coal caving；rock movement parameter；dynamic rock movement parameter；regression analysis

[收稿日期]2015-08-19

[基金項目]國家自然科學基金(51474129)

[作者簡介]鄭志剛(1974-)，男，河北唐山人，研究員，主要從事開采沉陷與“三下”采煤方面的研究工作。

[中圖分類號]TD325.2

[文獻標識碼]A

[文章編號]1006-6225(2016)02-0022-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.02.007

[引用格式]鄭志剛，滕永海.厚松散層綜放開采條件下地表巖移參數(shù)分析[J].煤礦開采，2016，21(2)：22-25.