母杜柴登煤礦地表動態(tài)移動變形規(guī)律研究*

程顯亮，王依雷，劉月華，王國文，徐茂恩，高 超，張玉軍，田國燦

(1.鄂爾多斯市伊化礦業(yè)資源有限責任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.中煤科工集團開采研究院有限公司，北京 100013)

井下煤炭資源采出后，巖層將自下而上發(fā)生彎曲、下沉和破斷，覆巖移動逐層傳播至地表，地表宏觀范圍內(nèi)將發(fā)生下沉，形成盆地，并在開采影響范圍內(nèi)出現(xiàn)大面積地表裂縫和沉陷，嚴重威脅到地面建(構)筑物的使用安全[1-3]。不同的地質(zhì)采礦條件，地表的移動變形程度和范圍等均有一定的差異，對地面建筑物、水體、環(huán)境等造成的影響也有所不同[4-6]。同時，地表移動變形是一個動態(tài)的移動變形過程，不同地質(zhì)采礦條件下的地表動態(tài)變形及劇烈程度均有所差異。對于生態(tài)環(huán)境比較脆弱、地面零星分布有抗采動能力較差的房屋及其它工業(yè)構筑物的鄂爾多斯礦區(qū)，研究其地表動態(tài)移動變形規(guī)律顯得尤為重要。

本研究針對內(nèi)蒙古鄂爾多斯母杜柴登煤礦厚基巖、大埋深的地質(zhì)采礦條件，通過設置地表移動觀測站，并對實測數(shù)據(jù)進行分析，初步掌握了該地質(zhì)采礦條件下的地表動態(tài)變形情況，探究了該礦區(qū)的地表動態(tài)沉陷規(guī)律。本文所得出的結論對指導該地區(qū)今后的“三下”采煤、保護煤柱留設、工作面布置與地面建筑物保護都具有十分重要的意義[7-9]，對相似地質(zhì)采礦條件地區(qū)也具有指導意義。

1 工程概況

1.1 井田位置與地表特征

母杜柴登井田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市東勝煤田的西南部，呼吉爾特礦區(qū)的東南部，行政區(qū)劃分隸屬于鄂爾多斯市烏審旗圖克鎮(zhèn)。地表具備典型的高原堆積型丘陵地貌特征，地表全部被第四系風積沙所覆蓋，植被稀疏，屬沙漠、半沙漠地區(qū)。區(qū)內(nèi)地形總體趨勢為東南部較高，西北部較低，最大地形高差為24.1 m。井田內(nèi)受開采影響的地面建(構)筑物和設施主要有擬建于礦井西部的礦區(qū)專用鐵路、工業(yè)場地進場公路、井田東部的油氣井、礦井工業(yè)場地及零星村莊。

1.2 地層概況

井田范圍內(nèi)基本全區(qū)覆蓋有一定厚度的風積沙，主要由砂和亞砂土組成，據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計，厚度27.13～135.50 m，平均95.26 m。下部為湖積物，主要由淤泥、各種粒級的砂組成，厚度一般小于3 m。最上部基巖層屬白堊系下統(tǒng)志丹群，巖性組合為細砂巖與中-細砂巖互層；中部屬侏羅系中統(tǒng)直羅組，巖性組合上部為泥巖，中砂質(zhì)泥巖、粉砂巖呈互層;下部為中-粗砂巖，中夾粉砂巖、砂質(zhì)泥巖。侏羅系中統(tǒng)延安組為主要含煤組地層，下部為粗粒砂巖和含礫粗粒砂巖；中部為厚層狀砂巖，薄層粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖；上部為高嶺土質(zhì)膠結的細砂巖、粉砂巖，局部相變?yōu)樯百|(zhì)泥巖和泥巖。

1.3 工作面概況

井田設一個主水平面和五個輔助水平面進行開采，首先開采主水平面3-1煤層及以上的2-2中煤層，并將其分別劃分為3個盤區(qū)，標記為301、302、303和201、202、203盤區(qū)。將2-2中煤層的201盤區(qū)和3-1煤層的302盤區(qū)作為首采盤區(qū)。30201工作面為盤區(qū)首采面，地表標高+1 279～+1 289 m，無大的工業(yè)及民用設施，僅有零星建筑物分布。

首采30201工作面的煤層厚度為3.65～6.22 m，平均煤厚5.21 m，平均煤層傾角為2°，采深620～655 m，平均采深約640 m，設計工作面長度約為240 m，設計工作面推進長度約為3 417 m，采煤機截深0.865 m，日推進進度為7.785 m。

30202工作面位于井田東南部302盤區(qū)東翼3-1煤層內(nèi)，緊鄰30201首采工作面，西鄰未開采煤體的30203工作面，南鄰井田邊界保護煤柱，北鄰工廣保護煤柱線。30202工作面范圍內(nèi)煤層厚度處于4.74～6.32 m之間，平均煤厚5.68 m，平均煤層傾角為2°，設計工作面長度約為268 m，設計工作面推進長度約為3 718 m。

2 地表移動觀測站布設及觀測

地表移動變形是井下煤層開采所引起的一個復雜且具有一定周期性的運動過程，設置地表移動觀測站，對觀測點進行實時監(jiān)測是認識地表移動最為直接的方法[10-11]。由于地表移動變形是多種因素綜合影響的結果，觀測站的實地監(jiān)測可獲取地表移動變形的第一手資料。經(jīng)綜合分析后，便可確定各因素對上覆巖層移動的影響規(guī)律，為留設保護煤柱和壓煤開采設計等提供科學依據(jù)，減少開采造成的地面影響和壓煤資源的損失[12]。

母杜柴登煤礦30201和30202工作面地表移動觀測站觀測點間距設定為25 m，控制點間距設定為50 m，測點的埋設為現(xiàn)場混凝土灌注，共布置4條測線(如圖1所示)，分別為：30201面切眼側走向半盆地觀測線(A測線)、30201與30202面聯(lián)合布置傾向全盆地線(BC測線)、30201和30202面切眼側走向半盆地觀測線(B測線)、30202面切眼側走向半盆地觀測線(C測線)。地表移動觀測站各測線布設總長度約為7 006 m，測線點數(shù)共計232個。

圖1 母杜柴登30201和30202工作面地表移動觀測站分布圖

母杜柴登煤礦地表各觀測線及觀測概況如表1所示。

表1 地表各觀測線概況

3 地表移動變形及動態(tài)參數(shù)分析

3.1 開采過程中地表下沉與傾斜變形研究

由圖2中A測線的下沉曲線(觀測次數(shù)較多，繪制曲線過程中進行了選擇性繪制)可以看出，由于采深較大，下沉速度較小，下沉量增加速率較平緩。隨工作面向前推進，地表下沉盆地范圍逐漸擴大，地表下沉值也逐漸增大，在A24#測點～A47#測點附近出現(xiàn)了最大下沉值，并逐漸趨于平緩，采空區(qū)上方地表出現(xiàn)了下沉盆地的平底。分析其最終下沉曲線，盆地邊緣坡度較小、較平緩，即地表下沉值較小，A45#測點的地表最大下沉值為1 687 mm。盆地內(nèi)邊緣傾斜變形值較小，A測線上地表最大傾斜值約為9.72 mm/m(A22#點)，地表沉陷具有常見的“盆形”盆地的特征。

圖2 A測線各次測量的下沉曲線

3.2 地表移動變形動態(tài)參數(shù)分析

在此，系統(tǒng)研究了地表移動變形的起動距、最大下沉速度滯后角、最大下沉速度滯后距、超前影響角、超前影響距等的動態(tài)變化規(guī)律，有利于提前確定回采過程中下沉、傾斜等地表動態(tài)移動的劇烈程度和工作面的位置關系，對地面保護具有實踐指導意義[9-11]。

3.2.1 起動距

研究地表移動的起動距可了解地表何時受井下的采動影響，并根據(jù)該規(guī)律指導“三下”采煤工作。由A測線觀測并找出地表首次受采動影響并出現(xiàn)下沉值為10 mm的點為2017年1月23日，采深記為H0，測得起動距為227.7 m≈0.361H0，即約為埋深的36.1%，基巖厚度的45.9%。

3.2.2 最大下沉速度滯后距與滯后角

研究地表的最大下沉速度滯后距與滯后角可掌握地表何時受到最大下沉速度的影響，判斷受沉陷影響最劇烈的區(qū)域。

(1)由A測線A30#測點得到最大下沉速度為-13.4 mm/d，此時工作面位于A30#測點西側的30202工作面，受相鄰工作面的采動影響；在30201工作面內(nèi)部，由A23#測點得到最大下沉速度為-4.9 mm/d，測得最大下沉速度滯后距L=319 m，計算得最大下沉速度滯后角Ф=arctan(H0/L)=63.1°。

(2)C測線地表移動變形監(jiān)測點觀測得到最大下沉速度為-15.4 mm/d，測量得最大下沉速度滯后距L=396 m，求得最大下沉速度滯后角Ф=arctan(H0/L)=57.8°。

(3)BC測線地表移動變形監(jiān)測點觀測得到最大下沉速度為-9.0 mm/d，測量得最大下沉速度滯后距L=387 m，求得最大下沉速度滯后角Ф=arctan(H0/L)=58.4°。

由實測數(shù)據(jù)求得的最大下沉速度滯后角可知，該角值的變化范圍為57.8°～63.1°。

3.2.3 超前影響距與超前影響角

受觀測時間、測線長度、測點間距的客觀條件限制，應用差值法可知：A測線A21#測點于2017年1月23日捕捉到地表下沉10 mm，但此時工作面已經(jīng)推過并超前于該測點；后續(xù)A21#測點、A30#測點、A33#測點均有捕捉到地表下沉10 mm，但這些點均是在工作面推過并超前于地表測點后地表才開始下沉。

母杜柴登煤礦30201與30202工作面平均采深約640 m，同時覆巖層內(nèi)有多個厚度大于20 m的堅硬砂巖層，該地質(zhì)采礦條件下的超前影響距與超前影響角存在一定的特殊性(超前影響角大于90°)，需要進一步實測分析、研究后確定。

根據(jù)實測數(shù)據(jù)計算得到的母杜柴登30201與30202工作面的地表移動起動距、最大下沉速度滯后距與滯后角、超前影響距與影響角，如表2所示。

表2 地表移動變形動態(tài)參數(shù)

4 結 論

(1)母杜柴登煤礦30201與30202工作面對應地表共布設4條觀測線，總長度約為7 006 m，測線點數(shù)共計232個，各測線的觀測次數(shù)處于33～77次之間。由于埋深較大，地表下沉速度較小，下沉量增加速率較平緩，觀測得到地表最大下沉值為1 687 mm，最大傾斜變形值為9.72 mm/m。

(2)母杜柴登煤礦30201與30202工作面地質(zhì)采礦條件下的起動距為227.7 m，約為埋深的36.1%，基巖厚度的45.9%。

(3)母杜柴登煤礦地表移動觀測站實測得到最大下沉速度滯后距L的變化范圍為319～396 m，最大下沉速度滯后角Ф變化范圍為57.8°～63.1°。