厚松散層條件下地表采動程度評定與分析

閆偉濤，陳俊杰，孫　奇

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；2.河南理工大學(xué)，河南 焦作 454003)

?

厚松散層條件下地表采動程度評定與分析

閆偉濤1，陳俊杰2，孫奇1

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；2.河南理工大學(xué)，河南 焦作 454003)

[摘要]在厚松散層條件下，松散層對地表移動產(chǎn)生顯著影響，對厚松散層下地表采動程度進(jìn)行分析，具有實(shí)際指導(dǎo)意義。在對幾種常用采動程度計算方法梳理的基礎(chǔ)上，以折減系數(shù)越高，松散層影響程度越低，依據(jù)松散層影響程度來對松散層進(jìn)行界定為主線，分析給出了充分采動角法計算結(jié)果與寬深比表示法、松散層折減法和采寬基巖厚度比表示法之間的關(guān)系。基于松散層折減系數(shù)和松基厚度比對厚松散層和巨厚松散層進(jìn)行了界定。

[關(guān)鍵詞]厚松散層；采動程度；折減系數(shù)；松基厚度比

松散層和基巖共同組成煤層上覆巖層，開采引起的地表移動變形受到二者的共同影響，呈現(xiàn)出多種影響特征。松散層對沉陷的影響主要體現(xiàn)在空間分布、移動傳播過程和移動變形程度上，具體來說，在空間分布上，松散層擴(kuò)大地表移動變形范圍，平緩地表移動盆地邊緣地帶；在移動傳播過程上，松散層加快地表移動，縮短移動變形總時間；在移動變形程度上，松散層加大地表移動量，增大下沉系數(shù)。很多學(xué)者對厚松散層和巨厚松散層進(jìn)行了深入研究，主要集中在3個方面：對厚松散層條件下的巖層移動機(jī)理進(jìn)行了研究[1-3]；對厚松散層條件下的地表移動變形規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)分析[4-8]；根據(jù)厚松散層條件下地表移動變形規(guī)律對現(xiàn)有參數(shù)進(jìn)行了修正[9-10]。針對厚松散層和巨厚松散層的研究文獻(xiàn)雖多，但厚松散層和超厚松散層的劃分都是僅僅從松散層厚度方面來簡單地進(jìn)行界定。

為了更好地描述開采沉陷中厚松散層的影響特征，本文在分析采動程度的基礎(chǔ)上，從折減系數(shù)和松散層厚度與基巖厚度比值的角度出發(fā),對厚松散層及巨厚松散層進(jìn)行了分析。為了敘述方便，將松散層厚度與基巖厚度的比值簡稱為松基厚度比。

1厚松散層條件下采動程度計算方法

1.1采動程度評價方法

厚松散層條件下，地表采動程度的確定需要考慮松散層厚度和基巖厚度，有時還需要考慮基巖巖性。采動程度的確定方法，目前主要有以下4種方法：寬深比表示法；松散層折減法；采寬基巖厚度比表示法；充分采動角法。

(1)寬深比表示法[11-12]該方法直接采用寬深比來衡量采動程度。當(dāng)D1/H0，D3/H0<1.2～1.4(當(dāng)覆巖巖性為軟弱巖性時取1.2，堅(jiān)硬巖層時取1.4，下同)時，地表為非充分采動；當(dāng)D1/H0，D3/H0=1.2～1.4時，地表為臨界充分采動；當(dāng)D1/H0，D3/H0>1.2～1.4時，地表為超充分采動。式中,D1，D3分別為采空區(qū)沿傾向和走向的實(shí)際長度，H0為平均采深。

(2)松散層折減法[8]根據(jù)松散層與基巖的巖性差異，將松散層厚度轉(zhuǎn)化為等價的基巖厚度，求出綜合影響采深，其計算公式為：

Hz=Hj+ksHs

(1)

式中，Hz為綜合影響采深，Hj為基巖厚度，Hs為松散層厚度，ks為折減系數(shù)。

則采動程度計算公式為：

n=D/Hz

(2)

式中，D為實(shí)際采寬。

(3)采寬基巖厚度比表示法[2]該方法直接采用工作面或采區(qū)的寬度與基巖厚度的比值來衡量采動程度。

(4)充分采動角法[1,5-6]該方法采用基巖充分采動角和松散層充分采動角求出臨界開采寬度，而后采用實(shí)際開采寬度與臨界開采寬度的比值來衡量采動程度。

臨界開采寬度計算如圖1所示。

圖1　充分開采臨界寬度計算

則充分開采臨界寬度計算公式為：

DL=2Hscotψs+2Hjcotψj=2Hscotψs+

2Hscotψj/f=2Hs(cotψs+cotψj/f)

(3)

式中，f為松基厚度比；ψj為基巖充分采動角；ψs為松散層充分采動角；DL為臨界采寬。

采動程度計算公式為：

n=D/DL=D/[2Hs(cotψs+cotψj/f)]

(4)

1.2方法比較分析

以上方法中，充分采動角法具有直觀性，幾何關(guān)系清晰明了，但由于基巖和松散層充分采動角不易獲取，造成大范圍應(yīng)用困難。寬深比表示法、松散層折減法和采寬基巖厚度比表示法計算公式匯聚如式(5)所示：

D/(Hj+Hs) (寬深比表示法)D/(Hj+ksHs) (松散層轉(zhuǎn)換法)D/Hj (寬基比表示法){

(5)

從式(5)可以看出，寬深比表示法與采寬基巖厚度比表示法可以看做松散層折減法的特例：寬深比表示法為折減系數(shù)1.0的松散層折減法；采寬基巖厚度比表示法為折減系數(shù)0的松散層折減法。

2不同采深條件下厚松散層影響分析

基于充分采動角法具有幾何關(guān)系明確、計算較準(zhǔn)確等特點(diǎn)，本文采用充分采動角法為參考基準(zhǔn)，以邢臺礦區(qū)2107工作面為例，分析不同采深、不同松基厚度比條件下，厚松散層的影響程度。該工作面平均采深267m，采厚3.8～4.0m，平均傾角7°，日推進(jìn)2m，工作面走向長1055m，傾向長153m。煤層直接頂為粉砂巖，厚度4～5m，堅(jiān)固性系數(shù)f=3；基本頂為中粒砂巖或細(xì)粒砂巖，厚度為4～6m，堅(jiān)固性系數(shù)f=4～6；直接底為0.9m的粉砂巖。礦區(qū)松散層層厚為130～200m，頂層為第四系地層，厚25～35m，僅底層為強(qiáng)含水層；接著為第三系，由砂質(zhì)黏土、砂及礫石層組成，底部為承壓弱含水層，該工作面為典型的中硬巖層、中等偏弱含水厚松散層條件。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，該礦區(qū)基巖充分采動角取62°，松散層充分采動角取82°。折減系數(shù)取值范圍為(0,1)，為了便于分析，故取中值0.5。

2.1不同采深不同松散層厚度條件下充分采動角法所得采動程度系數(shù)分析

在中硬巖層、中等偏弱含水厚松散層、單工作面開采條件下，不同采深不同松散層厚度下充分采動角法計算所得的采動程度系數(shù)見圖2。圖2(a)和圖2(b)分別為采動系數(shù)隨松散層厚度、基巖厚度變化示意圖，圖2(c)和圖2(d)為采動系數(shù)隨松散層厚度和基巖厚度變化的三維圖形。從圖2中可以看出，在采深一定時，采動程度系數(shù)隨松散層厚度的增加而呈指數(shù)式增加，隨基巖厚度的增加而呈指數(shù)式減??；但隨采深的增加，其采動程度系數(shù)隨松散層厚度和基巖厚度的變化速率不斷減小。

在中硬巖層、中等偏弱含水厚松散層、單工作面開采條件下，繪制出不同基巖厚度、不同松散層厚度的充分采動角法采動程度系數(shù)等值線圖見圖3。從圖3可以看出，在中硬巖層、中等偏弱含水厚松散層、單工作面開采條件下，達(dá)到同一采動程度系數(shù)所需的基巖厚度小于松散層厚度，且所需的基巖厚度與松散層厚度的比值為一定值。

圖2　采動程度系數(shù)變化

圖3　采動程度系數(shù)分布

為了分析開采寬度對松散層的影響程度，采用固定采寬和變采寬分兩步對不同采深不同松基厚度比條件下厚松散層的影響程度進(jìn)行分析。

2.2固定采寬條件下松散層的影響程度分析

首先采寬取固定值153m，采深取值為200m，300m，400m，500m，600m，700m，松基厚度比為0.05，0.10，0.30，0.60，1.0。則在一定條件下，不同采深和松基厚度比時，計算得到的4種評價方法的數(shù)值，如表1所示。

表1　采動程度系數(shù)計算

從表1中可以看出，在其他條件一定時，寬深比表示法不受松基厚度比的影響，其采動程度隨采深的增加而減??；松散層折減法、采寬基巖厚度比表示法、充分采動角法則同時受采深和松基厚度比的影響。即當(dāng)松基厚度比一定時，隨著采深的增加而不斷減小，當(dāng)采深一定時，隨著松基厚度比的增加而增加，但充分采動角法增加的幅度更大一些。

當(dāng)其他條件一定時，對比表1中各個方法求得的結(jié)果可知，當(dāng)松基厚度比小于0.10時，充分采動角法求得采動程度最??；松基厚度比為0.10左右時，充分采動角法求得的采動程度與寬深比表示法基本相當(dāng)；當(dāng)松基厚度比大于0.10小于0.30時，充分采動角法求得的采動程度大于寬深比法，小于松散層折減法、采寬基巖厚度比表示法；松基厚度比為0.30左右時，充分采動角法求得的采動程度與松散層折減法基本一致，大于寬深比表示法，小于采寬基巖厚度比表示法；松基厚度比大于0.30時，充分采動角法求得的采動程度大于寬深比表示法、松散層折減法，小于采寬基巖厚度比表示法。所以充分采動角法與寬深比法計算結(jié)果相一致的臨界松基厚度比值為0.10，充分采動角法與松散層折減法計算結(jié)果相一致的臨界松基厚度比值為0.30。

2.3不同采寬條件下松散層的影響程度分析

為了解臨界松基厚度比值隨開采寬度的變化規(guī)律，特求得開采寬度為300m，400m，500m，600m，700m時臨界松基厚度比值(表2)。

表2　不同采空區(qū)長度下臨界松基厚度比值

從表2中可以看出，臨界松基厚度比值不隨開采寬度的變化而變化。充分采動角法與寬深比法計算結(jié)果相一致的臨界松基厚度比值都為0.10，充分采動角法與松散層折減法計算結(jié)果相一致的臨界松基厚度比值都為0.30。

3充分采動條件下松散層臨界厚度的確定

由式(5)可知，隨著折減系數(shù)的增加，松散層影響程度逐漸減小。將松散層影響開始顯現(xiàn)的地質(zhì)條件稱為厚松散層條件，將松散層影響顯現(xiàn)劇烈的地質(zhì)條件稱為巨厚松散層條件。由于充分采動角法精度最高，故以充分采動角法為標(biāo)準(zhǔn)。在計算采動程度時，當(dāng)充分采動角法小于寬深比表示法(折減系數(shù)為1.0)時，該松散層為薄及中厚松散層，在計算時無需考慮其特性；當(dāng)充分采動角法大于寬深比表示法而小于松散層折減法時，即折減系數(shù)為(1.0～0.5)時，認(rèn)為該松散層為厚松散層；而當(dāng)充分采動角法大于松散層折減法而小于采寬基巖厚度比表示法時，即折減系數(shù)為(0.5～0)時，認(rèn)為該松散層為巨厚松散層。其示意見圖4。

圖4　松散層劃分

由上節(jié)可知，在中硬巖層、中等偏弱含水厚松散層、單工作面開采條件下，充分采動角法與寬深比法計算結(jié)果相一致的臨界松基厚度比值為0.10，充分采動角法與松散層折減法計算結(jié)果相一致的臨界松基厚度比值為0.30。故在中硬巖層、中等偏弱含水厚松散層、單工作面開采條件下，厚松散層臨界松基厚度比為0.10，巨厚松散層臨界松基厚度比為0.30。

4結(jié)論

(1)開采沉陷中厚松散層問題是基巖、松散層厚度的共同影響問題，對開采沉陷的傳播過程、地表移動變形的空間分布及程度有綜合影響。

(2)在中硬巖層、中等偏弱含水厚松散層在單工作面開采條件下，按充分采動角法，分析了采動程度系數(shù)隨采深和基巖厚度、松散層厚度的變化趨勢，給出了不同采深、不同松散層厚度的采動程度系數(shù)分布圖。

(3)通過實(shí)例分析給出中硬巖層、中等偏弱含水厚松散層在單工作面開采條件下，厚松散層臨界松基厚度比為0.10，松基厚度比大于0.10時，為厚松散層；巨厚松散層臨界松基厚度比為0.30，松基厚度比大于0.30時，為巨厚松散層。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王金莊，常占強(qiáng)，陳勇，等.厚松散層條件下開采程度及地表下沉模式的研究[J].煤炭學(xué)報，2003，28(3):230-234.

[2]王金莊，李永樹，周雄，等.巨厚松散層下采煤地表移動規(guī)律的研究[J].煤炭學(xué)報，1997，22(1):18-21.

[3]易四海，鄭志剛，滕永海，等.厚松散層條件下綜放開采地表沉陷規(guī)律與機(jī)理[J].煤礦開采，2011，16(4):9-12.

[4]徐乃忠，戴華陽.厚松散層條件下開采沉陷規(guī)律及控制研究現(xiàn)狀[J].煤礦安全，2008，39(11):53-55.

[5]方新秋，黃漢富，金桃，等.厚表土薄基巖煤層開采覆巖運(yùn)動規(guī)律[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27(S1):2700-2706.

[6]陳俊杰，閆偉濤，鄒友峰.厚松散層下采動系數(shù)確定方法[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2015，26(1):71-76.

[7]陳俊杰，鄒友峰，郭文兵，等.厚松散層下下沉系數(shù)與采動程度關(guān)系研究[J].采礦與安全工程學(xué)報，2012，29(2):250-254.

[8]李德海，許國勝，余華中.厚松散層煤層開采地表動態(tài)移動變形特征研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2014，42(7):103-106.

[9]劉義新，戴華陽，姜耀東，等.厚松散層礦區(qū)地表移動盆地邊界角確定方法[J].煤礦安全，2012，43(9):47-49.

[10]劉義新.厚松散層下深部開采覆巖破壞及地表移動規(guī)律研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，2010.

[11]國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.

[12]何國清，楊倫，凌賡娣，等.礦山開采沉陷學(xué)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1991.

[責(zé)任編輯：鄒正立]

Evaluation and Analysis of Mining Degree of Ground Surface with Thick Loose Layer

YAN Wei-tao1，CHEN Jun-jie2，SUN Qi1

(1.Geosciences and Surveying Engineering College，China University of Mining & Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；2.Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China)

Abstract：Ground surface movement influenced seriously by loose layer in thick loose layer，mining degree of ground surface with thick loose layer was analyzed，the results reference for practical.The conclusion that loose layer influence degree decreased with reduction coefficient increased was put forward on the basis of several frequently used calculation method of mining degree，on the basis of loose layer was confirmed by loose layer influencing degree，relations between calculation results of fully subsidence angle and ratio representation of width to depth，loose layer reduction method and ratio representation mining width to base rock thickness were put forward.Thick loose layer and giant thick loose layer were confirmed on the basis of loose layer reduction coefficient and loose-base thickness ratio.

Key words：thick loose layer；mining degree；reduction coefficient；loose-base thickness ratio

[收稿日期]2015-08-19

[基金項(xiàng)目]國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51574242)

[作者簡介]閆偉濤(1988-)，男，河南漯河人，博士研究生，研究方向?yàn)樾巫?環(huán)境監(jiān)測與防治。

[中圖分類號]TD325

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1006-6225(2016)02-0037-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.02.011

[引用格式]閆偉濤，陳俊杰，孫奇.厚松散層條件下地表采動程度評定與分析[J].煤礦開采，2016，21(2)：37-40.