趙固礦區(qū)厚松散層下開(kāi)采地表移動(dòng)特征實(shí)測(cè)研究

許國(guó)勝，許勝軍，李德海，李回貴

(1.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700；2.河南理工大學(xué)礦業(yè)研究院，河南 焦作 454000)

松散層又稱(chēng)沖積層，是指由河流流水搬運(yùn)過(guò)來(lái)的碎巖屑沉積，在河床較平緩地帶形成的沉積物，由于松散層的土體呈松散狀態(tài)，也稱(chēng)松散介質(zhì)[1-2]。松散層土體受外力作用后具有部分流動(dòng)性，幾乎不具有抗拉伸能力，抗變形能力較差[3]。在我國(guó)的華東地區(qū)、華中地區(qū)、華北地區(qū)等地區(qū)地層上部覆蓋有厚的松散層，該區(qū)域進(jìn)行煤炭開(kāi)采面臨著諸多問(wèn)題。開(kāi)采沉陷是一個(gè)十分復(fù)雜的物理、力學(xué)變化過(guò)程，也是巖層自下而上地產(chǎn)生移動(dòng)和破壞的過(guò)程，這一過(guò)程又受到多種因素的影響[4-5]。由于煤層上部覆蓋有較厚松散層土體，使得該地區(qū)受到采動(dòng)后，地表沉陷顯現(xiàn)出特殊的規(guī)律[6-10]。為礦區(qū)地表建筑物保護(hù)、村莊搬遷以及水利設(shè)施保護(hù)提供參考依據(jù)，在趙固礦區(qū)兩個(gè)礦井(趙固一礦和趙固二礦)的首采面布置了地表移動(dòng)觀測(cè)站，在工作面開(kāi)采前后及過(guò)程中進(jìn)行觀測(cè)工作，對(duì)于研究地表移動(dòng)變形提供了可靠的數(shù)據(jù)。本文通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)地表沉陷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，求取地表沉陷概率積分法參數(shù)，對(duì)地表下沉盆地特征以及地表移動(dòng)角量參數(shù)進(jìn)行研究。研究成果不僅對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地表構(gòu)筑物的保護(hù)及治理提供技術(shù)依據(jù)，而且豐富了厚松散層條件下地表移動(dòng)變形規(guī)律的理論研究。

1 趙固礦區(qū)地表移動(dòng)觀測(cè)站

1.1 趙固一礦11011工作面及地表觀測(cè)站

趙固一礦11011工作面為該礦首采工作面，工作面平均采深573 m，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度1 400 m，傾斜長(zhǎng)度180 m，平均采高3 m，傾角2°～6°，該工作面采煤方法為綜采，全部陷落法管理頂板，平均推進(jìn)速度3.6 m/d。根據(jù)工作面范圍內(nèi)鉆孔資料分析，11011工作面區(qū)域上覆地層第四系松散層層厚520 m，基巖巖厚約53 m。

在工作面上方地表布置了3條觀測(cè)線(xiàn)，由于部分觀測(cè)線(xiàn)觀測(cè)點(diǎn)后期遭到損壞，實(shí)際觀測(cè)工作中主要采用傾向觀測(cè)線(xiàn)55個(gè)觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，地表觀測(cè)線(xiàn)與井下工作面的相對(duì)位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 趙固一礦11011工作面地面觀測(cè)站布置圖Fig.1 Layout of monitoring stations over panel 11011 in Zhaogu No.1 mine

1.2 趙固二礦11011工作面及地表觀測(cè)站

趙固二礦11011工作面為該礦首采工作面，該工作面走向長(zhǎng)度為2 266.9 m，傾向長(zhǎng)度180 m，煤層平均厚度為6.16 m，傾角為5.5°，采用分層開(kāi)采，開(kāi)采厚度為3.5 m；根據(jù)該工作面范圍內(nèi)鉆孔資料分析，松散層的厚度為611.8 m，基巖巖厚為78.2 m。

工作面地表有村莊及其他構(gòu)筑物，因此根據(jù)地表的實(shí)際情況將觀測(cè)線(xiàn)布置成折線(xiàn)形狀。走向觀測(cè)線(xiàn)Ⅰ布置70個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，傾向觀測(cè)線(xiàn)Ⅱ共布置68個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。 地表移動(dòng)觀測(cè)站與工作面的相對(duì)位置見(jiàn)圖2。

圖2 趙固二礦11011工作面地表觀測(cè)站布置平面圖Fig.2 Layout of monitoring stations over panel 11011 in Zhaogu No.2 mine

2 厚松散層下開(kāi)采概率積分法參數(shù)求取

概率積分法作為影響函數(shù)法中典型的預(yù)計(jì)方法，是目前我國(guó)較為成熟、應(yīng)用最為廣泛的地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)方法之一[11]。因此，本文利用Origin數(shù)據(jù)處理軟件，將觀測(cè)站實(shí)測(cè)代入概率積分預(yù)計(jì)公式進(jìn)行擬合計(jì)算，得出的走向和傾向方向地表移動(dòng)變形擬合曲線(xiàn)[12-13]。

2.1 趙固一礦11011工作面地表觀測(cè)數(shù)據(jù)擬合

根據(jù)趙固一礦11011工作面地質(zhì)和開(kāi)采資料，判斷該工作面在走向方向上屬于超充分采動(dòng)，而在傾向方向上屬于非充分采動(dòng)。通過(guò)Origin8.5軟件將地表觀測(cè)站傾向觀測(cè)線(xiàn)55個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)代入有限開(kāi)采傾向主斷面地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)公式，見(jiàn)式(1)，進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，得到傾向斷面概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)，見(jiàn)表1，擬合曲線(xiàn)如圖3所示。由于地表部分觀測(cè)點(diǎn)后期遭到破壞，造成圖3中右側(cè)觀測(cè)值與擬合曲線(xiàn)相差較大。

圖3 趙固一礦11011工作面傾向主斷面擬合曲線(xiàn)Fig.3 Fitting curve on the dip main section of panel 11011 in Zhaogu No.1 mine

表1 趙固一礦地表概率積分法參數(shù)Table 1 Parameters of surface probability integral method in Zhaogu No.1 mine

(1)

式中：w(y)為傾向主斷面地表下沉值，m；w0為該地質(zhì)條件下地表最大下沉值，m；r1、r2為傾向主斷面上山、下山主要影響半徑，m；s1、s2為傾向主斷面上山、下山拐點(diǎn)偏移距，m。

2.2 趙固二礦11011工作面地表觀測(cè)數(shù)據(jù)擬合

根據(jù)趙固二礦11011工作面地質(zhì)資料和開(kāi)采資料，判斷該工作面在走向方向上屬于超充分采動(dòng)，而在傾向方向上屬于非充分采動(dòng)。通過(guò)Origin8.5軟件將地表觀測(cè)站傾向觀測(cè)線(xiàn)48個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)代入式(1)，進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，得到傾向斷面概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)，見(jiàn)表2，擬合曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

圖4 趙固二礦11011工作面傾向主斷面擬合曲線(xiàn)Fig.4 Fitting curve on the dip main section of panel 11011 in Zhaogu No.2 mine

表2 趙固二礦11011工作面傾向概論積分法參數(shù)Table 2 Parameters of probability integral method on the dip of panel 11011 in Zhaogu No.2 mine

對(duì)于該工作面上覆下沉盆地走向主斷面的下沉數(shù)據(jù)，利用Origin8.5軟件將地表走向觀測(cè)線(xiàn)的34個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)代入式(2)，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到走向概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)，見(jiàn)表3，擬合曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。

圖5 趙固二礦11011工作面走向主斷面擬合曲線(xiàn)Fig.5 Fitting curve on the strike main section of panel 11011 in Zhaogu No.2 mine

表3 趙固二礦11011工作面走向概論積分法參數(shù)Table 3 Parameters of probability integral method on the strike of panel 11011 in Zhaogu No.2 mine

(2)

式中：w(x)為走向主斷面地表下沉值，m；Wy為地表傾向主斷面最大下沉值，m；r為走向主斷面主要影響半徑，m；s0為走向主斷面拐點(diǎn)偏移距，m。

結(jié)合地表走向和傾向觀測(cè)線(xiàn)特征點(diǎn)和曲線(xiàn)擬合求取預(yù)計(jì)參數(shù)的方法，確定出趙固二礦11011工作面地表概率積分預(yù)計(jì)參數(shù)，見(jiàn)表4。

表4 趙固二礦地表概論積分法參數(shù)Table 4 Parameters of probability integral method in Zhaogu No.2 mine

3 地表概論積分法預(yù)計(jì)參數(shù)分析

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)該地區(qū)概論積分法預(yù)計(jì)參數(shù)與一般地質(zhì)采礦條件下的參數(shù)有很大的差別，體現(xiàn)了厚松散層下開(kāi)采地表移動(dòng)變形所特有的規(guī)律。

1) 下沉系數(shù)較大。文獻(xiàn)資料表明，部分礦區(qū)在松散層下開(kāi)采下沉系數(shù)為0.85～1.20，根據(jù)趙固一礦和趙固二礦地表觀測(cè)數(shù)據(jù)得到的下沉系數(shù)分別為0.93和0.91，分析兩個(gè)礦煤層上部基巖與第三系松散層、第四系松散層的組成可知：趙固一礦煤層上部基巖厚度為53 m，第三系松散層、第四系松散層厚度為520 m，松散層厚度占比為90.75%；趙固二礦煤層上部基巖厚度為78.2 m，第三系松散層、第四系松散層厚度為611.8 m，松散層厚度占比為88.67%。因此，可以判斷上覆巖中松散層厚度占比越大，其下沉系數(shù)就越大。

2) 主要影響角正切值偏小。在概率積分法中tanβ是指工作面平均開(kāi)采深度與主要影響半徑的比值，反映了地表移動(dòng)和變形范圍，主要取決于覆巖巖性。由于松散層具有流變特性[13-14]，增大了地表移動(dòng)范圍大，造成了tanβ值隨覆巖中松散層厚度占比的增大反而減小。

3) 拐點(diǎn)偏移距異常。拐點(diǎn)偏移距的大小主要與采空區(qū)頂板巖性有關(guān)，頂板越堅(jiān)硬，巖層移動(dòng)后形成的懸臂效應(yīng)就越強(qiáng)，拐點(diǎn)偏移距就越大，反之則越小。該地區(qū)松散層厚度占上覆巖土層的比重較大，松散層土體強(qiáng)度較低，一方面頂板懸臂效應(yīng)大大減小；另一方面，采動(dòng)作用下松散層含水層失水孔隙水壓力降低，在采動(dòng)壓力作用下，應(yīng)力拱軸線(xiàn)周?chē)缮油馏w，有效應(yīng)力增加，產(chǎn)生土體固結(jié)壓縮變形，增加了地表移動(dòng)盆地在開(kāi)采邊界處的下沉，引起拐點(diǎn)偏移距減小或者為負(fù)值。

4) 地表下沉盆地邊緣收斂過(guò)慢。造成拐點(diǎn)偏移距減小或者為負(fù)值，而且厚松散層覆蓋地區(qū)地表下沉盆地邊緣收斂過(guò)慢，會(huì)出現(xiàn)概率積分法函數(shù)在下沉盆地中間區(qū)域擬合較好、下沉盆地邊緣擬合較差的現(xiàn)象。具體見(jiàn)圖6。

圖6 下沉盆地邊緣曲線(xiàn)擬合誤差示意圖Fig.6 Curve fitting error diagram of subsidence basin edge

由于較厚松散層的存在，導(dǎo)致地表移動(dòng)盆地形態(tài)邊緣部分收斂緩慢的現(xiàn)象，主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的概率積分預(yù)計(jì)方法是基于隨機(jī)介質(zhì)理論推導(dǎo)出來(lái)的，沒(méi)有考慮不同巖土體的沉陷特性。因此，鑒于基巖和厚松散層沉陷特性的不同，后期可以考慮將上覆巖層分為基巖和松散層兩部分來(lái)考慮，從而實(shí)現(xiàn)厚松散地區(qū)地表移動(dòng)變形的準(zhǔn)確預(yù)計(jì)。

4 地表移動(dòng)角量參數(shù)

地表移動(dòng)角量參數(shù)是描述地表下沉盆地與采空區(qū)相對(duì)位置、影響范圍大小及特征的參數(shù)。角量參數(shù)主要與工作面地質(zhì)條件(煤層埋深、煤層傾角、覆巖結(jié)構(gòu)等因素)和采礦條件(工作面采動(dòng)程度、開(kāi)采高度等因素)相關(guān)。由于該地區(qū)第三系、第四系松散層厚度較大，松散層移動(dòng)角取一般情況下的45°顯得不準(zhǔn)確，因此，在求取邊界角和移動(dòng)角時(shí)，應(yīng)考慮綜合邊界角和移動(dòng)角。由于趙固一礦和趙固二礦首采面煤層傾角較小，一般為5°左右，屬于近水平煤層，本次對(duì)于角量參數(shù)主要以走向方向角量參數(shù)為主。依據(jù)上述數(shù)據(jù)擬合概論積分法參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，分別得到趙固一礦和趙固二礦地表移動(dòng)各角量參數(shù)，見(jiàn)表5。

表5 趙固礦區(qū)走向地表移動(dòng)角量參數(shù)Table 5 surface movement angle parameters on the strike of Zhaogu mine area

由表5可知，趙固一礦地表移動(dòng)各角量參數(shù)(移動(dòng)角、邊界角、充分采動(dòng)角以及最大下沉角)均小于趙固二礦參數(shù)，分析認(rèn)為主要是前者覆巖中松散層厚度占比較大的原因造成的。

5 結(jié) 論

1) 通過(guò)在趙固礦區(qū)地表建立移動(dòng)觀測(cè)站，對(duì)厚松散層下開(kāi)采引起的動(dòng)態(tài)地表移動(dòng)特征進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，通過(guò)曲線(xiàn)擬合方法，得到了該礦區(qū)地表移動(dòng)概論積分法參數(shù)。

2) 通過(guò)概論積分法參數(shù)分析研究了該地質(zhì)采礦條件下的動(dòng)態(tài)地表移動(dòng)特征。研究表明：松散層對(duì)地表沉陷規(guī)律起著非常重要的作用，覆巖中松散層厚度占比越大，地表下沉系數(shù)越大，而主要影響角tanβ反而越小。在采動(dòng)壓力作用下，應(yīng)力拱軸線(xiàn)周?chē)缮油馏w，有效應(yīng)力增加，土體固結(jié)壓縮變形，使得拐點(diǎn)偏移距減小或者為負(fù)值，地表下沉盆地邊緣收斂過(guò)慢。

3) 根據(jù)地表觀測(cè)站實(shí)測(cè)以及概論積分法函數(shù)，得到了趙固一礦和趙固二礦的地表移動(dòng)參數(shù)。 同時(shí)表明趙固一礦覆巖中松散層厚度占比較大，引起趙固一礦地表移動(dòng)各角量參數(shù)(移動(dòng)角、邊界角、充分采動(dòng)角以及最大下沉角)均小于趙固二礦參數(shù)。