淺埋高強(qiáng)度開采地表破壞特征：以神東礦區(qū)為例

郭俊廷，李全生,2

(1.煤炭開采水資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102209；2.神華集團(tuán)有限責(zé)任公司科技發(fā)展部，北京 100011)

采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與理論分析的方法對(duì)神東礦區(qū)地表非連續(xù)變形及地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間進(jìn)行了研究。闡釋了高強(qiáng)度開采的內(nèi)涵，并提出以地表最大下沉速度、采動(dòng)損害程度及工作面來(lái)壓強(qiáng)度作為判斷指標(biāo)。總結(jié)了神東礦區(qū)基巖全厚切落式和基巖部分破壞式2種巖層移動(dòng)類型。分析總結(jié)了神東礦區(qū)地表移動(dòng)以伴隨非連續(xù)變形為主要特征的高強(qiáng)度開采規(guī)律：地表最大下沉速度達(dá)700 mm/d，非連續(xù)變形以裂縫與臺(tái)階為主；采動(dòng)裂縫以裂縫帶形式發(fā)育，主裂縫間距與工作面周期來(lái)壓步距基本一致，最前裂縫帶內(nèi)主裂縫滯后角約79.8°，地表最寬裂縫滯后角58.2°；裂縫發(fā)育條數(shù)及寬度與表土性質(zhì)密切相關(guān)，風(fēng)積沙區(qū)裂縫寬度一般小于30 mm，黏性表土區(qū)一般大于50 mm，裂縫寬深近似線性相關(guān)。本文可為類似開采條件下采動(dòng)損害控制、地表環(huán)境治理、開采設(shè)計(jì)提供參考。

高強(qiáng)度開采；深厚比；采動(dòng)裂縫；最大下沉速度；地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間

以高強(qiáng)度和淺埋煤層開采為主題，在CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)中可檢索到3 000余條文獻(xiàn)，近10多年研究和關(guān)注度近似線性增加，每年增加的文獻(xiàn)達(dá)數(shù)百條之多，目前這兩個(gè)名詞尚無(wú)確切的定義和分類標(biāo)準(zhǔn)[1]。高強(qiáng)度開采一般是從工作面開采的角度進(jìn)行闡釋，如譚志祥等[2]把較大的推進(jìn)速度、寬深比、回采率定義為高強(qiáng)度開采；繆協(xié)興將高強(qiáng)度開采的主要特征表述為大采高、尺寸較大和快速推進(jìn)的工作面；范立民[1]則將高強(qiáng)度開采表述為開采面積大、開采空間尺寸大和工作面開采速度快為主要特征。影響地表移動(dòng)劇烈程度的因素有覆巖性質(zhì)和結(jié)構(gòu)、開采深厚比、開采尺寸(寬深比)、工作面推進(jìn)速度等。采深及上覆巖性差異較大時(shí)，同樣開采尺寸和推進(jìn)速度對(duì)地表下沉、變形速率的影響會(huì)有很大差別，而深部開采時(shí)，即便開采速度和開采尺寸較大，地表也未必表現(xiàn)為嚴(yán)重破壞和較大的下沉速度?？傮w而言，目前對(duì)高強(qiáng)度開采的認(rèn)識(shí)著眼于開采特征，如開采空間的長(zhǎng)寬高、采面推進(jìn)的快慢。但高強(qiáng)度開采的實(shí)質(zhì)要反映開采造成覆巖及地表的劇烈影響。為了直觀表達(dá)高強(qiáng)度開采的特性，本文認(rèn)為高強(qiáng)度開采應(yīng)從地表和覆巖移動(dòng)顯現(xiàn)的直觀特征進(jìn)行界定。在地表移動(dòng)方面，應(yīng)從地表下沉速度和地表變形量對(duì)土地及地表附屬物的損害程度進(jìn)行區(qū)別；在覆巖移動(dòng)方面應(yīng)結(jié)合周期來(lái)壓動(dòng)載沖擊現(xiàn)象及特征進(jìn)行界定。高強(qiáng)度開采的直觀特性為地表下沉速度大、非連續(xù)變形發(fā)育或尺寸規(guī)模大(表土沙層時(shí)除外)、工作面動(dòng)載系數(shù)大或來(lái)壓強(qiáng)烈等。

在淺埋煤層開采方面，以采深小于150 m、基載比小于1、頂板單一主關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)特征和來(lái)壓有明顯動(dòng)載現(xiàn)象作為淺埋煤層的判斷指標(biāo)，并指出淺埋工作面具有頂板全厚切落，并波及地表的特征[3-6]。同時(shí)還指出工作面覆巖僅有垮落帶和裂縫帶“兩帶”。而在開采沉陷學(xué)中，“兩帶”高度是指水體下開采時(shí)對(duì)生產(chǎn)具有影響的破壞性影響區(qū)，而裂縫帶的主要特征具有較大的變形和破壞，不但具有垂直于巖層層面的裂縫，還具有順層理面的離層裂縫，對(duì)于全厚切落式的覆巖運(yùn)動(dòng)特征，顯然不再符合傳統(tǒng)意義上裂縫帶的特征，可看作是規(guī)則垮落帶。文獻(xiàn)[7]給出深厚比小于30時(shí)，地表產(chǎn)生非連續(xù)變形。而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中，即便深厚比達(dá)到60，地表仍有裂縫發(fā)育[8]，嚴(yán)格來(lái)講，地表產(chǎn)生非連續(xù)變形的深厚比小于30的判斷指標(biāo)，是指松散層較薄的開采條件下，垮落帶或裂隙帶發(fā)育至地表的情形。文獻(xiàn)[9]給出深厚比小于20時(shí)地表產(chǎn)生非連續(xù)變形，是指基巖厚度與采厚之比。淺埋煤層開采地表移動(dòng)具有下沉速度大、地表裂縫及臺(tái)階發(fā)育、地表移動(dòng)變形量大的特性[10-13]；而覆巖移動(dòng)具有基巖全厚切落、頂板臺(tái)階下沉、工作面支架動(dòng)載大、無(wú)離層裂縫、易突水潰沙和冒頂、片幫及壓架[5-6,14-18]。因此，除采用特殊開采方式，綜合機(jī)械化垮落法開采的淺埋煤層均屬于高強(qiáng)度開采的范疇。

根據(jù)對(duì)神東礦區(qū)高強(qiáng)度開采相關(guān)資料的分析，本文認(rèn)為高強(qiáng)度開采是指引起覆巖或地表劇烈移動(dòng)的開采方式，其判斷指標(biāo)可以采用地表最大下沉速度(vmax)、開采深厚比(H/M)、地表裂縫寬度(D)及條數(shù)(n)、支架動(dòng)載及壓力顯現(xiàn)特征以及急傾斜淺部開采等，上述任一指標(biāo)顯現(xiàn)出較大的開采擾動(dòng)或損害現(xiàn)象即為高強(qiáng)度開采。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)行業(yè)規(guī)范可采用以下特征或數(shù)值進(jìn)行判斷：Vmax>200 mm/d，H/M<30，裂縫帶nD>300 mm或D>100 mm且主裂縫間距小于30 m，液壓支架工作面阻力大于等于11 000 kN,且動(dòng)載系數(shù)大于1.5或出現(xiàn)壓架、頂板臺(tái)階下沉大于30 cm等。

1　神東礦區(qū)概況

神東礦區(qū)是我國(guó)具有國(guó)際先進(jìn)水平的西部現(xiàn)代化能源基地，位于鄂爾多斯高原東南部、毛烏素沙漠東南緣與陜北黃土高原北側(cè)接壤地帶，包括大柳塔煤礦、補(bǔ)連塔煤礦、榆家梁煤礦等。該區(qū)屬于侏羅紀(jì)陸相地層沉積為主的含煤地層，探明儲(chǔ)量2 300億t，面積12 860 km2。主要地貌單元有沙丘、沙地和風(fēng)沙河谷。區(qū)內(nèi)大部分屬于風(fēng)沙堆積地貌，植被稀少，沖溝發(fā)育，水土流失嚴(yán)重，局部基巖裸露，是典型的丘陵溝壑區(qū)。區(qū)內(nèi)有10個(gè)可采煤層，厚度2～7 m，傾角1～8°，礦區(qū)內(nèi)煤層普遍埋藏淺，1-2煤層與5-2煤層間距大致為170 m，地表以下平均70 m左右即可見到煤層，在礦區(qū)西部邊界埋藏深處，1-2煤層距地表也僅 150 m 左右。神東礦區(qū)煤層采深一般均小于300 m，平均采深150 m左右，平均采厚4～6 m，工作面長(zhǎng)300 m左右，推進(jìn)速度一般大于10 m/d，上覆巖層受開采擾動(dòng)大，覆巖破壞高度比相關(guān)規(guī)程經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值大[19-20]。工作面液壓支架壓力較大，周期來(lái)壓明顯，部分工作面存在壓架、突水或潰沙事故。屬于典型的淺埋深、大采厚、近水平開采條件。

神東煤田地層由老至新為：三疊系延長(zhǎng)組(T3y)，中下侏羅統(tǒng)延安組(J1-2y)，中侏羅統(tǒng)直羅組(J2z)、安定組(J2a)，上侏羅統(tǒng)-下白堊統(tǒng)志丹群(J3-K1zh)，新近系上新統(tǒng)紅土層(N2)，第四系上更新統(tǒng)馬蘭組(Q3m)黃土層，第四系全新統(tǒng)(Q4)沖洪積、風(fēng)積、殘坡積物。該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造為總體走向NW330°～SE150°，傾向SW240°的單斜構(gòu)造，巖層傾角一般3°左右，地層連續(xù)，褶皺與斷層不發(fā)育，屬構(gòu)造簡(jiǎn)單型區(qū)域。區(qū)內(nèi)中下侏羅統(tǒng)延安組為主要含煤地層，巖性多為細(xì)砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖，少量有泥巖及中粗粒砂巖。巖層裂隙不發(fā)育，絕大多數(shù)巖石屬于半堅(jiān)硬巖石類型。煤層大部分屬單一結(jié)構(gòu)，偶爾含一層至數(shù)層夾矸，厚 0.05～0.62 m，巖性為泥炭及砂質(zhì)泥巖。煤層多屬中厚及厚煤層。主要可采煤層包括1-2、2-2、3-1、4-2和5-2煤層。礦區(qū)內(nèi)風(fēng)積沙、亞沙土、亞黏土及黏土均有分布。

2　礦區(qū)地表移動(dòng)調(diào)查及實(shí)測(cè)規(guī)律

2.1　神東礦區(qū)地表移動(dòng)實(shí)測(cè)規(guī)律及特征

覆巖移動(dòng)特征決定了覆巖破壞程度和地表采動(dòng)損害程度，覆巖性質(zhì)和結(jié)構(gòu)、煤層賦存條件、工作面開采尺寸以及工藝是影響覆巖移動(dòng)特征的主要因素。許家林等將神東礦區(qū)覆巖關(guān)鍵層劃分為單一關(guān)鍵層和多層關(guān)鍵層，并認(rèn)為單一關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的滑落失穩(wěn)是導(dǎo)致淺埋煤層采動(dòng)損害、頂板臺(tái)階下沉和壓架的根源[21]。本文根據(jù)神東礦區(qū)巖層移動(dòng)及破壞特征將其歸納為基巖全厚切落和基巖部分破壞的移動(dòng)形式?；鶐r全厚切落式的主要特征是覆巖,只有垮落帶，不存在裂隙帶和彎曲帶，由頂板直接垮至地表，這也是工作面發(fā)生突水、潰沙與地表漏風(fēng)的主要原因[4,22]；基巖部分破壞的移動(dòng)形式，以覆巖移動(dòng)存在“三帶”為主要特征。

地表移動(dòng)觀測(cè)是掌握地表移動(dòng)規(guī)律的重要手段。根據(jù)搜集的相關(guān)資料，神東礦區(qū)1993～2013年均有地表移動(dòng)觀測(cè)站的設(shè)置，共建立地表移動(dòng)觀測(cè)站20余個(gè)。表1列出了部分觀測(cè)站工作面的基本信息。由表1可知，開采煤層均為近水平，最大采深327 m，最小采深50 m，基巖最大厚度294 m，最小厚度20.5 m，地表下沉速度一般都大于100 mm/d，工作面推進(jìn)速度一般為8～9 m/d，最大20 m/d，大柳煤塔20604工作面最大開采速度約為30 m/d[23]，屬于典型的淺埋深高強(qiáng)度開采煤層?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和地表移動(dòng)觀測(cè)結(jié)果見圖1～4。

表1　神東礦區(qū)部分地表移動(dòng)觀測(cè)站基本信息(部分礦井)

注：工作面均為綜合機(jī)械化垮落法開采，煤層傾角0～5°。

圖1　大柳塔煤礦52304工作面地表走向下沉曲線

圖2　補(bǔ)連塔煤礦12406工作面地表走向下沉曲線

圖3　補(bǔ)連塔煤礦12406工作面開采邊界地表裂縫(資料來(lái)源：文獻(xiàn)[24])

圖4　活雞兔煤礦21306工作面壓架后塌陷情況(資料來(lái)源：文獻(xiàn)[25])

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和地表移動(dòng)觀測(cè)結(jié)果表明，神東礦區(qū)地表移動(dòng)及采動(dòng)損害特征主要表現(xiàn)為以下幾方面。

1) 地表移動(dòng)劇烈，下沉速度大，下沉量大；地表最大下沉速度一般為300～500 mm/d， 最大下沉速度達(dá)到700 mm/d，地表下沉系數(shù)一般為0.5～0.7，重復(fù)采動(dòng)條件下一般大于0.7[12]，地表最大下沉一般在3 m左右，見表1。

2) 采動(dòng)裂縫及臺(tái)階發(fā)育，裂縫產(chǎn)生周期性明顯，主裂縫間距與工作面周期來(lái)壓步距相當(dāng)。采動(dòng)裂縫或臺(tái)階隨處可見，部分開采條件伴隨塌陷坑、臺(tái)階地塹，主裂縫及臺(tái)階間距一般10～15 m，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，神東礦區(qū)工作面周期來(lái)壓步距為8～25 m，一般為12 m左右。

3) 非連續(xù)變形未改變地表下沉曲線形態(tài)特征，對(duì)下沉影響小。部分采面地表非連續(xù)變形與井下溝通，開采影響大。部分淺埋煤層開采直接垮落至地表，地表裂縫位置有漏風(fēng)現(xiàn)象[26]。

4) 地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間短，移動(dòng)延續(xù)時(shí)間一般為1.0H0(H0為平均采深，m)左右，見表1，小于文獻(xiàn)[27]中經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)2.5H0。

5) 地表移動(dòng)觀測(cè)周期對(duì)地表最大下沉速度的準(zhǔn)確獲取影響大。由圖5可知，地表下沉速度隨觀測(cè)間隔時(shí)間的增加逐漸減小，間隔1 d與間隔15 d最大下沉速度差值為440-139=301 mm/d，差值約占間隔一天最大值的68%。表1中地表最大下沉速度因受觀測(cè)間隔時(shí)間影響，所列數(shù)值并非地表真實(shí)最大下沉速度。

圖5　補(bǔ)連塔礦31401工作面地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)S3不同監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔下沉速度曲線

2.2　地表非連續(xù)變形發(fā)育及分布特征

地表非連續(xù)變形是神東礦區(qū)開采過(guò)程中伴隨的主要特征，其形式主要有采動(dòng)裂縫、臺(tái)階裂縫、塌陷坑及塌陷地塹(圖3和圖4)。對(duì)于非連續(xù)變形，我國(guó)學(xué)者已進(jìn)行了一些調(diào)查與研究[2,12-13,28-30]。由神東礦區(qū)有關(guān)地表非連續(xù)變形的調(diào)查、監(jiān)測(cè)及分析資料可知[28,31]，地表裂縫產(chǎn)生位置及寬度變化規(guī)律如下所述。

1) 非連續(xù)變形產(chǎn)生具有一定條件。深厚比大于30時(shí)，一般不產(chǎn)生較大的臺(tái)階裂縫，以采動(dòng)裂縫發(fā)育為主。

2) 地表采動(dòng)裂縫特性與產(chǎn)生位置密切相關(guān)。工作面上方以平行于開切眼的裂縫帶形式向前發(fā)展，裂縫發(fā)育經(jīng)歷“產(chǎn)生→擴(kuò)展→減小或閉合”的過(guò)程；開切眼處裂縫寬度一般較大，以臺(tái)階形式顯現(xiàn)，基巖厚度較小且覆巖控制層載荷較大時(shí)，可能形成塌陷坑[28,31]；運(yùn)輸和回風(fēng)巷附近地表以臺(tái)階裂縫顯現(xiàn)為主，隨工作面推進(jìn)向前延展；開采邊界位置非連續(xù)變形一般只經(jīng)歷“產(chǎn)生→擴(kuò)展→穩(wěn)定”的發(fā)展過(guò)程。

3) 工作面推進(jìn)方向上，裂縫帶隨采面推進(jìn)周期性產(chǎn)生。最前裂縫帶內(nèi)主裂縫平均滯后角79.8°，地表最寬裂縫滯后角約58.2°，相關(guān)資料見文獻(xiàn)[12]和文獻(xiàn)[28]；基巖切落破壞條件下，主裂縫一般位于工作面正上方地表附近，近似垂直傳播。

4) 采動(dòng)裂縫以裂縫帶的形式發(fā)育。在主要裂縫兩側(cè)伴隨尺寸相對(duì)較小的裂縫，最前裂縫產(chǎn)生位置與覆巖破壞特征關(guān)系密切，基巖全厚切落時(shí)，裂縫產(chǎn)生位置位于工作面前后5 m左右；基巖部分破壞時(shí)，超前工作面產(chǎn)生，超前距離約為采深的0.05倍，見圖6。

圖6　最前裂縫與工作面相對(duì)位置關(guān)系

5) 表土性質(zhì)對(duì)非連續(xù)發(fā)育特征影響顯著。黏聚力較小的沙土裂縫條數(shù)較多，寬度及間距一般較小，黏性表土層條件下，裂縫條數(shù)較少，寬度及間距相對(duì)較大，相關(guān)資料見文獻(xiàn)[28]和文獻(xiàn)[32]；風(fēng)積沙開采區(qū)裂縫發(fā)育寬度一般小于30 mm，亞黏土或黏土區(qū)域，裂縫發(fā)育寬度一般大于50 mm(圖7和圖8)，且臺(tái)階裂縫落差較大。風(fēng)積沙地區(qū)裂縫寬深比無(wú)明顯相關(guān)性；黏性表土區(qū)域裂縫寬度與深度近似為線性關(guān)系，見圖9。

圖7　補(bǔ)連塔煤礦12406工作面不同位置點(diǎn)下沉速度曲線

圖8　大柳塔煤礦22201工作面地表裂縫寬度變化曲線

圖9　地表采動(dòng)裂縫寬度與深度關(guān)系曲線

圖10　補(bǔ)連塔煤礦12406工作面地表裂縫寬度變化曲線

6) 裂縫發(fā)育變化特征與地表下沉速度相似，裂縫的產(chǎn)生受地表變形速度的影響。如圖7和圖10所示，12406工作面地表點(diǎn)下沉速度兩峰值出現(xiàn)的間隔時(shí)間內(nèi)工作面推進(jìn)約140 m，下沉速度的整個(gè)變化周期內(nèi)，工作面推進(jìn)距離分別為259 m(B36)和345 m(B37)；裂縫的峰值間隔與整個(gè)發(fā)育期工作面分別推進(jìn)120 m、230 m。此外，地表移動(dòng)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)裂縫才產(chǎn)生，這也是地表下沉速度過(guò)程大于裂縫發(fā)育周期的原因所在。因本文未搜集到補(bǔ)連塔煤礦12406工作面覆巖各巖層的具體厚度與力學(xué)性質(zhì)相關(guān)資料，無(wú)法判斷是否因覆巖中存在2個(gè)控制層導(dǎo)致的地表下沉速度、發(fā)育的裂縫具有2個(gè)峰值。此外，筆者在補(bǔ)連塔煤礦12407工作面地表裂縫調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，裂縫在雨后會(huì)再次顯現(xiàn)，可能因承受變形能力小、無(wú)聚集性的表層風(fēng)沙掩埋及地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨風(fēng)積沙受采動(dòng)過(guò)程的“拉伸→壓縮→拉伸”影響所致。

3　結(jié)　論

1) 高強(qiáng)度開采應(yīng)以開采對(duì)覆巖及地表影響的劇烈程度作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，并以地表移動(dòng)劇烈程度、損害等級(jí)及工作面來(lái)壓特征為判斷指標(biāo)，對(duì)高強(qiáng)度開采進(jìn)行界定。

2) 覆巖移動(dòng)以基巖全部切落式的垮落破壞和基巖部分破壞為移動(dòng)特征。切落式破壞覆巖僅存在垮落帶，不存在裂隙帶和彎曲帶，地表?yè)p害嚴(yán)重，基巖部分破壞以覆巖存在“三帶”為主要特征，地表?yè)p害程度相對(duì)較小。切落式破壞地表裂縫多位于工作面附近，一般不超前產(chǎn)生，基巖部分破壞時(shí)地表裂縫超前工作面一定距離產(chǎn)生。

3) 分析總結(jié)了神東礦區(qū)高強(qiáng)度開采的主要特征。地表移動(dòng)劇烈，地表最大下沉速度達(dá)700 mm/d，地表非連續(xù)變形發(fā)育，損害嚴(yán)重；采動(dòng)裂縫發(fā)育特征與表土性質(zhì)密切相關(guān)，黏性較小的沙質(zhì)土，地表采動(dòng)裂縫尺寸較小，寬度小于30 mm，裂縫條數(shù)多，間距??；黏性表土層區(qū)，采動(dòng)裂縫尺寸相對(duì)較大，間距大，發(fā)育條數(shù)相對(duì)較少；主裂縫間距與工作面周期來(lái)壓步距相當(dāng)；地表最大下沉速度的獲取受觀測(cè)間隔時(shí)間影響大，不合理時(shí)間間隔會(huì)造成對(duì)地表移動(dòng)劇烈程度的錯(cuò)誤判斷。

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