厚松散層非充分開采條件下地表移動規(guī)律研究*

魏躍東

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司唐山分公司，河北 唐山 063012;2.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

在我國東部平原一些礦區(qū)，地下潛水位較高，由于煤炭開采造成地表下沉，當(dāng)?shù)乇硐鲁亮看笥跐撍宦裆顣r(shí)，地表將會積水，形成大面積積水區(qū)，對地表的土地及其附屬設(shè)施造成極大影響，因此，為減少由于井下煤炭開采對地表環(huán)境的影響，有些礦區(qū)采用部分開采法對井下煤炭資源進(jìn)行開采，這種開采方法可以在一定程度上減少井下開采對環(huán)境的影響，由于該方法一般為非充分開采，非充分開采引起的地表移動變形規(guī)律較充分開采有很大的不同，而表征地表開采移動變形規(guī)律的預(yù)計(jì)參數(shù)均為充分開采條件下的[1]，這些參數(shù)對進(jìn)行開采損壞評估、環(huán)境影響評價(jià)等是必不可少的，因此進(jìn)行非充分條件下地表移動規(guī)律研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2-6]。

為此，本文以山東濟(jì)寧礦區(qū)某礦首采區(qū)1301、1303工作面為例，重點(diǎn)研究了在厚沖積層下非充分開采條件下的地表移動規(guī)律[7-10]，旨在為進(jìn)行相似地質(zhì)采礦條件下地表移動規(guī)律的研究提供參考。

1 地表觀測區(qū)域地質(zhì)采礦條件

該礦1301、1303工作面位于北一采區(qū)，開采煤層為3煤，煤層傾角13°～23°，平均18°，煤層采厚7.5 m。1301工作面傾斜寬189 m，走向長936 m；1303工作面傾斜寬189 m，走向長890 m，為減緩地表下沉，在兩工作面之間留設(shè)了保護(hù)煤柱，煤柱寬197 m。工作面開采標(biāo)高-340～-600 m，地面標(biāo)高+39～+41 m。由于采深較深(平均510 m)，采寬相對較小(189 m)，1301、1303工作面開采傾斜方向均未達(dá)到充分采動。

煤系地層以細(xì)砂巖、中砂巖、粉砂巖、泥巖交互沉積而成，基巖平均厚295 m；第四系松散層平均厚225 m,由粉砂、細(xì)砂、粘土、粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘土、含礫粘土等組成。松散層占3煤頂板平均采深43%，基巖占57%，屬厚松散層覆蓋下的下硬上軟型地層結(jié)構(gòu)。

該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較簡單，煤層整體賦存形態(tài)為走向北東，傾向南東的單斜構(gòu)造，在工作面中部為一寬緩小向斜。

采煤方法為走向長壁綜采放頂煤一次采全高，全部垮落法管理頂板。

2 地表觀測站的設(shè)置與觀測工作

2.1 觀測站的設(shè)置

在1301、1303工作面上方沿公路分別布設(shè)A、B兩條觀測線，其中A線近南北走向，測點(diǎn)自北向南進(jìn)行編號，B線為東西走向，測點(diǎn)自西向東進(jìn)行編號。具體觀測線布置和工作面關(guān)系如圖1所示。觀測站要素如表1所示。

圖1 觀測站平面布置示意圖

表1 觀測站布置明細(xì)表

2.2 觀測站的觀測工作

本次地表移動觀測站水準(zhǔn)測量按四等水準(zhǔn)進(jìn)行，坐標(biāo)觀測均使用全站儀按一級導(dǎo)線的要求進(jìn)行觀測。在觀測過程中由于地面下沉引起地表積水，部分測點(diǎn)被淹沒，移動變形數(shù)據(jù)沒有采集到。

A線觀測時(shí)間為2016年4月23日～2018年2月22日，1301、1303工作面開采時(shí)間為2016年3月～2018年5月，由于A線受1301、1303工作面共同影響，所以A線觀測點(diǎn)的移動變形還未完全穩(wěn)定。

B線觀測時(shí)間為2016年4月23日～2018年2月22日，地表最大下沉點(diǎn)B16從2017年2月5日～2017年5月12日共進(jìn)行3次測量，其下沉速度分別為0.05 mm/d ，0.08 mm/d 和0.10 mm/d，三個(gè)月累計(jì)下沉量為9 mm，可認(rèn)為該點(diǎn)受1301工作面的影響基本穩(wěn)定。

2.3 地表移動變形的實(shí)測結(jié)果

由于A線觀測點(diǎn)的移動變形還未完全穩(wěn)定，本文主要以B線分析該區(qū)域地表移動規(guī)律。B線測線方向的地表移動變形最大值如表2所示，B線下沉、傾向、水平移動、水平變形、曲率以及各工作面的位置關(guān)系如圖2所示。

3 采動過程中的地表移動變形規(guī)律

為了研究采動過程中的地表測點(diǎn)的移動規(guī)律，選取測線最大下沉點(diǎn)，分析其在采動過程中不同時(shí)段的下沉速度變化、下沉量和工作面推進(jìn)位置、時(shí)間等的關(guān)系，以便于了解在采動過程中的地表移動與變形規(guī)律，如圖3所示。

表2 B線地表移動變形最大值統(tǒng)計(jì)表

3.1 超前影響角ω

超前影響角ω是工作面在推進(jìn)過程中采空區(qū)走向方向位于工作面前方地表開始移動點(diǎn)與當(dāng)時(shí)工作面所在平面位置間的連線與水平線在煤層一側(cè)的夾角，如圖4所示。其計(jì)算公式為：

(2)

圖2 B線地表移動變形綜合曲線圖

圖3 B16點(diǎn)下沉量、下沉速度和工作面推進(jìn)位置、時(shí)間關(guān)系曲線圖

圖4 超前影響角示意圖

式中,l為超前影響距；H0為平均開采深度。

根據(jù)實(shí)際觀測線布置和觀測情況，B線最大下沉點(diǎn)B16開始下沉?xí)r間為2016年6月28日，超前影響距l(xiāng)為180.7 m。由此求出該礦地質(zhì)采礦條件下超前影響角ω為67.2°。

3.2 地表最大下沉速度

1301工作面B線B16測點(diǎn)地表最大下沉速度Vmax=52.4 mm/d，B18測點(diǎn)地表最大下沉速度Vmax=52.5 mm/d。

在一定地質(zhì)采礦條件下，地表最大下沉速度與采深、工作面推進(jìn)速度和該點(diǎn)的最大下沉量有關(guān)，即：

(2)

式中,k為與覆巖性質(zhì)有關(guān)的調(diào)整系數(shù)；C為工作面的推進(jìn)速度，m/d;H0為平均開采深度，m；W0為本工作面的地表最大下沉值，mm。

把有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式，求出k值為2.82，因此，該礦及類似地質(zhì)采礦條件下，可用下式(經(jīng)驗(yàn)公式)預(yù)計(jì)地表最大下沉速度：

(3)

3.3 最大下沉速度滯后角ψ后

最大下沉速度滯后角是最大下沉速度點(diǎn)與工作面位置連線與水平面的夾角，如圖5所示。

圖5 最大下沉速度滯后角示意圖

B線B16點(diǎn)出現(xiàn)最大下沉速度的時(shí)間為2016年8月15日，其工作面推過的最大下沉速度滯后距L后為144.3 m。最大下沉速度滯后角ψ后可用下式計(jì)算：

(4)

式中,H0為平均采深,1301工作面平均采深為430 m;L后為滯后距。

求得1301工作面B線B16點(diǎn)最大下沉速度滯后角為71.5°。

3.4 地表移動期

地表下沉速度的大小反映地表移動的劇烈程度。一般根據(jù)下沉速度的大小，可將地表點(diǎn)的整個(gè)移動過程分為初始期、活躍期和衰退期三個(gè)階段：

初始期：地表測點(diǎn)開始移動(下沉量達(dá)到10 mm的時(shí)刻)至活躍期的時(shí)間段(下沉速度剛達(dá)到1.67 mm/d)。

活躍期：按“規(guī)范”規(guī)定下沉速度大于1.67 mm/d的階段。

衰退期:活躍期結(jié)束到六個(gè)月內(nèi)地表測點(diǎn)累計(jì)下沉小于30 mm(即下沉速度小于0.17 mm/d)的時(shí)間段。

B線B16點(diǎn)、B18點(diǎn)移動統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3 B16點(diǎn)、B18點(diǎn)移動統(tǒng)計(jì)結(jié)果表

從實(shí)測情況看，B16點(diǎn)下沉充分但由于地面積水測量數(shù)據(jù)質(zhì)量不好，B18數(shù)據(jù)質(zhì)量好于B16。從表3可以看出測點(diǎn)移動的初始期非常短，其下沉量占總下沉量的2%以下，活躍期較長，其下沉量占總下沉量的90%左右，衰退期時(shí)間也較長，但其下沉量僅占下沉總量的10%左右。

可用下式計(jì)算地表移動期：

(5)

式中，j為主要決定覆巖性質(zhì)的時(shí)間系數(shù)；H0為測線位置的平均采深,m;C為工作面的推進(jìn)速度，m/d。將已知數(shù)據(jù)代入，求得B16、B18點(diǎn)的j值分別為1.69、1.88，其平均值為1.79，故在類似地質(zhì)采礦條件下計(jì)算地表移動期可用下式：

(6)

4 根據(jù)觀測成果求取相應(yīng)巖移角值

B線不在地表移動盆地的主斷面上，且工作面在煤層走向方向?yàn)槌浞植蓜?，傾向方向?yàn)榉浅浞植蓜?，如圖2所示。

本次所求的移動角為綜合移動角，按“規(guī)范”規(guī)定的臨界變形值：拉伸變形ε=2 mm/m，傾斜I=3 mm/m，曲率變形k=0.2×10-3/m的實(shí)測位置與相應(yīng)采空區(qū)邊界底板的連線，與水平線的夾角，即為所求的相應(yīng)移動角值。

在1301工作面具體條件下，根據(jù)圖2，求取的偽傾向非充分采動有關(guān)巖移角值如下：

根據(jù)B線的移動變形實(shí)際觀測情況，將x向求得的變形值換算至主斷面上，按曲率kx=0.2×10-3/m和水平變形εx=2 mm/m，求得非充分采動偽傾向綜合移動角γ′=57.65°，β′=50.98°。

由于偽傾向上山、下山綜合移動角與上山、下山移動角有如下近似關(guān)系：

tanγ′= tanγcosα

(7)

tanβ′= tanβcosα

(8)

式中,β′為偽傾向下山移動角；γ′為偽傾向上山移動角；β為下山移動角；γ為上山移動角；α為偽傾向?qū)嶋H觀測線與傾向主斷面的夾角，本觀測站取30°。

經(jīng)計(jì)算，上山方向、下山方向非充分開采條件下綜合移動角建議取γ=61.2°，β=55°。

5 求取 “概率積分法”預(yù)計(jì)參數(shù)

設(shè)置地表移動觀測站的目的之一就是為了求取地表移動的預(yù)計(jì)參數(shù)，為今后的開采預(yù)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)。目前，我國進(jìn)行地表移動變形預(yù)計(jì)時(shí)通常采用概率積分法，因此本次求取概率積分法的預(yù)計(jì)參數(shù)。

結(jié)合“三下”采煤規(guī)范的要求，按照巖移理論，利用求參程序，采用濟(jì)寧地區(qū)相似地質(zhì)采礦條件下預(yù)計(jì)參數(shù)為初始值，以逐漸趨近的方法使預(yù)計(jì)結(jié)果與實(shí)測移動曲線進(jìn)行對比，經(jīng)過多次擬合，最后求取較適合本礦區(qū)的預(yù)計(jì)參數(shù)。

求得的預(yù)計(jì)參數(shù)如下：

下沉系數(shù),q=0.98；水平移動系數(shù)，b=0.35；拐點(diǎn)偏移距，s=0.09H；主要影響角正切，tgβ=1.8；開采影響傳播系數(shù)，k=0.6。

6 結(jié) 論

通過對濟(jì)寧礦區(qū)厚松散層覆蓋、非充分開采條件下實(shí)測數(shù)據(jù)的分析，得出如下結(jié)論：

(2)根據(jù)實(shí)測結(jié)果求得的上山方向、下山方向的綜合移動角為γ=61.2°，β=55.0°。

(3)根據(jù)實(shí)測資料擬合求出的“概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)”如下：

下沉系數(shù),q=0.98；水平移動系數(shù),b=0.35；拐點(diǎn)偏移距,s=0.09H；主要影響角正切,tgβ=1.8；開采影響傳播系數(shù),k=0.6。

(4)厚松散層、非充分采動條件下地表移動特點(diǎn)：①在非充分條件下最大下沉速度可達(dá)52.5mm/d，說明在地表移動活躍期地表移動變形十分劇烈；②地表移動初始期較短，活躍期和衰退期較長，活躍期地表下沉占全部下沉的90%左右；③綜合移動角較小；④下沉系數(shù)較大，達(dá)0.98。