厚松散層黃土丘陵地貌開采沉陷規(guī)律實測研究

溫建生

(山西汾西礦業(yè)(集團)有限責(zé)任公司柳灣煤礦，山西 呂梁 032300)

煤炭開采必然伴隨著圍巖及地表的移動變形，進而影響到地面建構(gòu)筑物的使用，給居民生活和生態(tài)環(huán)境造成了極大的困擾，而厚松散層黃土丘陵地貌下的沉陷規(guī)律更為復(fù)雜，各礦區(qū)積極建立巖移觀測站研究開采沉陷的地表移動變化規(guī)律[1-5]。在積累了大量實測資料的基礎(chǔ)上，經(jīng)過專家學(xué)者的多年探索，目前對沉陷的一般規(guī)律已經(jīng)有了較為深刻的認識。郭文兵[6]等基于實測資料總結(jié)了高強度開采條件下地表移動變形規(guī)律及其研究進展，提出了采動損害防控的新思路。但由于厚松散層的特殊性，近年來相關(guān)學(xué)者對此也進行了研究[7-11]。徐乃忠[12]等總結(jié)了厚松散層條件下的沉陷規(guī)律及地表移動參數(shù)與地質(zhì)采礦條件的關(guān)系。松散層與基巖性質(zhì)差別較大，煤層開采造成的地表移動也具有不同的特征，黃土丘陵區(qū)地形地貌及黃土強度高、壓縮性低的力學(xué)特性加劇了地表移動的特殊變化[13-15]，使得地表移動變形具有特殊性和復(fù)雜性。

本文以柳灣礦61115工作面實測資料為基礎(chǔ)，總結(jié)厚松散層黃土丘陵地貌開采條件下地表移動變形的動態(tài)及靜態(tài)規(guī)律，為類似地質(zhì)條件下，礦區(qū)合理留設(shè)保護煤柱和災(zāi)害防治工作的開展提供依據(jù)。

1 工作面基本情況

1.1 工作面概況

柳灣煤礦61115工作面地表松散層較厚，主要由黃色、土黃色、淺棕色、淺紅色亞砂土、亞黏土、鈣質(zhì)結(jié)核、礫石和沖積層組成。根據(jù)周邊鉆孔揭示松散層厚度達52.4 m，屬于厚松散層。工作面地處黃土高原低山丘陵區(qū)，梁峁綿延，溯源侵蝕劇烈。工作面設(shè)計開采11#煤層，工作面走向長1 376 m，傾向長201 m。本區(qū)域11#煤埋藏深度平均208 m，煤厚約5.43 m，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含四層以上夾矸，夾矸厚0.02～0.20 m。11#煤頂板為1.57 m厚的黑灰色頁巖，性脆，抗壓強度389 kg/cm2，底板為5.4 m厚的深灰色泥巖，含鋁質(zhì)，遇水變軟膨脹，抗壓強度147 kg/cm2。煤層傾角0°～6°，平均3°左右，屬近水平穩(wěn)定可采煤層，開采方法為長壁式后退綜采法。

1.2 觀測站概況

柳灣煤礦61115工作面為矩形，根據(jù)地形布設(shè)半條走向觀測線(A線)和兩條傾向觀測線(B線、C線)。其中，走向A線總長度為1 090 m，位于工作面中部偏向下山8 m；傾向B線總長度680 m，距離開切眼670 m；傾向C線總長度680 m，距離停采線615 m，工作面實際布點情況如表1和圖1(控制點未標出)所示。

61115工作面回采前完成了點位放樣、埋石等前期工作，自2017年10月28日至2019年9月16日，對地表移動觀測站共進行了13次觀測，其中包括全面觀測、巡視測量、日常觀測等工作，取得了較好的觀測效果。

表1 觀測線布點明細表Table 1 Observation lines

圖1 觀測點布設(shè)情況Fig.1 Layout of observation points

2 觀測成果分析

2.1 動態(tài)規(guī)律研究

1)超前影響分析。當工作面推進到一定距離時地表開始下沉，工作面前方的地表受到開采擾動從而產(chǎn)生超前影響。通過處理實測數(shù)據(jù)，獲得了第2～6期的超前影響距和超前影響角，統(tǒng)計結(jié)果見表2和圖2。

表2 開采過程中各期超前影響Table 2 Advancing influence of each stage in the mining process

圖2 超前影響與推進距離的關(guān)系Fig.2 Relationship between advancing influence and driving distance

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著工作面不斷推進，達到啟動距后，超前影響距從56 m增加到147 m，超前影響角從75.5°減小到55.9°。由于未能監(jiān)測到6期之后的超前影響，因此可知開采初中期超前影響距有增大的趨勢，超前影響角在減小。結(jié)合地質(zhì)條件分析，在厚松散層情況下，基巖上覆載荷較大，受采動影響難以形成平衡拱效應(yīng)，在工作面不斷推進的過程中，基巖發(fā)生周期性破斷，且破壞程度有所擴大，導(dǎo)致超前影響距的增大及超前影響角的減小。

2)下沉曲線分析。如圖3所示，觀測初期，觀測點已經(jīng)出現(xiàn)下沉，隨著工作面的推進，開采面逐漸形成小的移動盆地；繼續(xù)推進后，移動盆地相繼變大，最大下沉點不斷向前移動，呈現(xiàn)出離采空區(qū)中心越近下沉量越大的規(guī)律，實測曲線整體形態(tài)符合開采下沉規(guī)律，采區(qū)中心部分下沉點的下沉量達到6.8 m，超過平均煤厚5.43 m。除煤厚不均勻的影響外，與地表厚松散層的特點也有關(guān)系。一方面，厚松散層在受到采動影響后易發(fā)生水分流失，在自重作用下發(fā)生固結(jié)壓縮；另一方面，受山區(qū)丘陵地貌影響，地表黃土強度較弱易發(fā)生滑移，這兩種因素共同導(dǎo)致了部分區(qū)域出現(xiàn)下沉量較大的現(xiàn)象。

3)下沉速度曲線分析。從圖3中可以看出，地表下沉幾乎沒有經(jīng)歷初始期，活躍期和衰退期占到地表移動總時間的95%。地表下沉主要集中在活躍期，活躍期占地表移動總時間的33%，下沉量占總下沉量的97%，最大下沉速度達50.7 mm/d，導(dǎo)致下沉速度曲線在活躍期變化較快，呈尖銳三角狀，而在衰退期變化緩慢，呈現(xiàn)平穩(wěn)狀。出現(xiàn)這種曲線形態(tài)的原因是：松散層較厚，基巖較薄，難以形成支撐結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致巖層破斷后迅速傳至地表，造成地表活動劇烈，地表移動幾乎不經(jīng)歷初始期而是直接進入活躍期，且活躍期下沉量較大，后續(xù)下沉量較小。

圖3 下沉速度曲線Fig.3 Subsidence velocity curve

2.2 靜態(tài)規(guī)律研究

1)基巖移動角及綜合邊界角。61115工作面走向長1 376 m，走向?qū)儆诔浞植蓜?，傾向長201 m，傾向?qū)儆诜浅浞植蓜?，整體為非充分采動。處理地表穩(wěn)定后，最后一期實測數(shù)據(jù)得到走向線和傾向線的基巖移動角及綜合邊界角見表3所示。

通過表3可以發(fā)現(xiàn)，走向線和傾向線的基巖移動角比較大(平均78°)，而對應(yīng)的綜合邊界角較小(平均61°)。這種情況造成下沉曲線中間陡峭，邊緣變形區(qū)平緩且范圍較大，表明下沉相對集中但影響范圍較大，這些正是厚松散層下開采地表移動所特有的特征。

表3 主斷面角量參數(shù)Table 3 Angle parameters of major section

2)地表破壞形式。由現(xiàn)場實際觀測可以看出，在開采影響范圍內(nèi)，黃土覆蓋地表會產(chǎn)生較多的地表裂縫，裂縫發(fā)育整體上受工作面及地形的控制，部分近似平行于工作面邊界，部分地形沿等高線方向發(fā)育。裂縫的形狀為楔形，隨深度的增大而減小，到一定深度后尖滅。黃土陡崖部位及溝谷邊緣多出現(xiàn)小型崩塌及滑坡，在公路上產(chǎn)生較嚴重的下沉及破壞。如圖4所示，上述現(xiàn)象正是厚松散層黃土丘陵地貌開采后地面破壞的典型形式。

(a)裂縫

3 概率積分法參數(shù)求取

概率積分法目前發(fā)展較為成熟，在我國礦區(qū)煤柱設(shè)計中有著廣泛的應(yīng)用。概率積分法主要包括5個參數(shù)，分別為下沉系數(shù)、水平移動系數(shù)、主要影響角正切、開采影響傳播角和拐點偏移距。以61115工作面走向線和傾向線觀測點實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運用最小二乘法進行擬合，并求取參數(shù)，結(jié)果見表4。

表4 概率積分法參數(shù)Table 4 Parameters of probability integration method

從表4的結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，厚松散層黃土丘陵地貌概率積分法參數(shù)具有如下特點：

1)下沉系數(shù)達到了0.91，水平移動系數(shù)為0.3，下沉系數(shù)和水平移動系數(shù)均偏大。這是由于松散層較軟，不產(chǎn)生離層，同時伴有失水壓實現(xiàn)象導(dǎo)致下沉量偏大，并且在山區(qū)丘陵地貌的影響下，松散層發(fā)生隨地勢起伏滑動及滑移現(xiàn)象，導(dǎo)致水平移動系數(shù)也偏大。

2)主要影響角正切為2.5也偏大。這是由于主關(guān)鍵層形成的砌體梁在厚松散層作用下難以形成拱結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致關(guān)鍵層破斷迅速傳播至地表，使地面移動變形劇烈，形成漏斗狀移動盆地。

4 結(jié)論

1)厚松散層黃土丘陵地貌條件下，開采初期及中期的超前影響距隨工作面采動程度增大而增大，超前影響角隨采動程度增大而減小。

2)厚松散層黃土丘陵地貌條件下地表下沉幾乎不經(jīng)歷初始期，衰退期較長但下沉量較小，地表下沉主要集中在活躍期，活躍期下沉量和最大下沉速度都較大。

3)厚松散層黃土丘陵地貌條件下基巖移動角偏大，綜合邊界角偏小，地表移動盆地范圍大，且易出現(xiàn)裂縫及小型崩塌。

4)厚松散層黃土丘陵地貌條件下的概率積分法參數(shù)中的下沉系數(shù)、水平移動系數(shù)、主要影響角正切均偏大。