厚基巖大采深條件下地表沉陷規(guī)律實(shí)測(cè)研究

高 超，張玉軍，李 平，徐乃忠，田國(guó)燦

（1.中煤科工開采研究院有限公司，北京100013；2.煤炭科學(xué)研究總院，北京100013；3.內(nèi)蒙古錦泰能源（集團(tuán)）有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯010400）

井下煤炭資源開采后，上覆巖層自下而上經(jīng)彎曲下沉-裂隙發(fā)育擴(kuò)展-破斷過程逐層傳播至地表，地表呈現(xiàn)不同程度的移動(dòng)變形[1]，并在開采影響范圍內(nèi)出現(xiàn)大面積地表裂縫和地表沉陷，甚至威脅到地面建筑物的安全使用[2]；不同地質(zhì)采礦條件下，地表沉陷影響范圍、影響程度有所差異，對(duì)筑物、水體、環(huán)境等造成不同程度的損害。對(duì)于厚基巖、大采深、風(fēng)積砂覆蓋、生態(tài)環(huán)境脆弱、零散分布有村莊的鄂爾多斯礦區(qū)，其地表移動(dòng)變形規(guī)律研究較少；當(dāng)涉及“三下”采煤時(shí)，缺少相關(guān)的地表沉陷計(jì)算參數(shù)與角量參數(shù)，往往采用經(jīng)驗(yàn)法或工程類比法進(jìn)行，威脅地面建筑的安全使用。

目前對(duì)于各地質(zhì)采礦條件下的地表移動(dòng)變形規(guī)律，開采沉陷學(xué)者進(jìn)行了較深入的研究。甯瑜琳與宋嘉棟[3]對(duì)急傾斜礦體開采的地表移動(dòng)變形特殊性進(jìn)行了分析；高超等[4]基于東坡煤礦實(shí)測(cè)資料研究了近淺埋深特厚煤層綜放開采條件下的地表移動(dòng)變形規(guī)律；劉書賢等[5]分析了多煤層重復(fù)采動(dòng)與建筑損壞的關(guān)系；郭文兵等[6]探討了厚濕陷性黃土層影響的地表移動(dòng)變形特征；滕永海等[7]基于五陽(yáng)煤礦地表移動(dòng)觀測(cè)站實(shí)測(cè)資料分析了綜放開采條件下的地表移動(dòng)變形特點(diǎn)；李春意等[8]對(duì)大采深、非充分采動(dòng)條件下的地表移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行實(shí)測(cè)分析；李新嶺等[9]研究了土體壓縮對(duì)巨厚松散層條件下的地表沉陷影響；譚志祥等[10]對(duì)高強(qiáng)度綜放開采條件下地表沉陷規(guī)律進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析；王鵬[11]、李圣軍[12]分別對(duì)韓家灣、哈拉溝煤礦高強(qiáng)度開采條件下地表移動(dòng)變形進(jìn)行了研究；趙高博等[13]應(yīng)用數(shù)值模擬研究了厚松散層高強(qiáng)度開采條件下地表移動(dòng)變形特征。

基于以上研究，針對(duì)內(nèi)蒙古鄂爾多斯母杜柴登煤礦風(fēng)積砂覆蓋、厚基巖、大埋深地質(zhì)采礦條件，通過設(shè)置地表移動(dòng)觀測(cè)站及取得的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，初步掌握了該地質(zhì)采礦條件下的地表移動(dòng)變形；分析了其地表沉陷特征、移動(dòng)角量參數(shù)；擬合求取了該地質(zhì)采礦條件下的地表沉陷計(jì)算參數(shù)；對(duì)指導(dǎo)該地區(qū)今后的“三下”采煤、保護(hù)煤柱留設(shè)、工作面布置與地面建筑物保護(hù)都具有十分重要的意義，對(duì)相似地質(zhì)采礦條件礦區(qū)也有借鑒意義。

1 礦井概況

1.1 井田位置與地表

母杜柴登煤礦位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市東勝煤田的西南部呼吉爾特礦區(qū)，行政區(qū)劃隸屬烏審旗圖克鎮(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(fēng)積砂所覆蓋，植被稀疏，為沙漠-半沙漠地區(qū)。區(qū)內(nèi)地形總體趨勢(shì)是東南部較高，西北部較低。最大地形高差為24.1 m。區(qū)內(nèi)地形總體趨勢(shì)是東南部較高，西北部較低。井田內(nèi)受開采影響的地面建（構(gòu)）筑和設(shè)施主要有礦井西部的礦區(qū)專用鐵路、工業(yè)場(chǎng)地進(jìn)場(chǎng)公路、井田東部的油氣井、礦井工業(yè)場(chǎng)地、蓄水池和零星村莊。

1.2 工作面概況

井田設(shè)1個(gè)主水平和5個(gè)輔助水平進(jìn)行開拓，首先開采主水平3-1煤層及以上的2-2中煤層，主水平3-1煤劃分為301、302、303盤區(qū)。30201工作面為首采302盤區(qū)的首采工作面；地表起伏較小，無大的工業(yè)及民用設(shè)施，有零星建筑物分布。

30201工作面煤層厚度3.65～6.22 m，平均煤厚5.21 m，平均煤層傾角為2°，開采深度620～655 m，平均約640 m，上覆巖層內(nèi)存在有多組厚度大于40 m的厚硬砂巖層（粉砂巖或中粒砂巖）。設(shè)計(jì)工作面長(zhǎng)度約為240 m，設(shè)計(jì)工作面推進(jìn)長(zhǎng)度約為3 417 m；采煤機(jī)截深0.865 m，日推進(jìn)進(jìn)度為7.785 m。

30202工作面位于井田東南部的302盤區(qū)東翼3-1煤層內(nèi)，緊鄰30201首采工作面，西鄰未開采的30203工作面，南鄰井田邊界保護(hù)煤柱，北部為工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱線與30202工作面輔助回撤巷。30202工作面范圍內(nèi)煤層厚度4.74～6.32 m，平均煤厚5.68 m，平均煤層傾角為2°，開采深度及巖層條件與30201工作面相近。工作面斜長(zhǎng)為268 m，設(shè)計(jì)工作面推進(jìn)長(zhǎng)度約為3 718 m。

2 地表移動(dòng)觀測(cè)站布設(shè)

地表移動(dòng)變形是1個(gè)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)過程，設(shè)置地表移動(dòng)觀測(cè)站及對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)是認(rèn)識(shí)地表移動(dòng)最為直接的方法[14]。觀測(cè)站的實(shí)地觀測(cè)可獲取地表移動(dòng)變形的第1手資料；對(duì)這些資料進(jìn)行綜合分析，為合理留設(shè)保護(hù)煤柱、進(jìn)行壓煤開采設(shè)計(jì)等提供科學(xué)依據(jù)，并可減少開采造成的地面影響及減少壓煤資源損失。

母杜柴登煤礦30201與30202工作面地表移動(dòng)觀測(cè)站測(cè)點(diǎn)間距取25 m，測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)為現(xiàn)場(chǎng)混凝土灌注；共布置4條測(cè)線，各測(cè)線觀測(cè)次數(shù)為33～77次不等，觀測(cè)時(shí)間歷時(shí)約2.5年。

現(xiàn)對(duì)各測(cè)線分述如下：30201面切眼側(cè)走向半盆地觀測(cè)線為A測(cè)線、30201與30202面切眼側(cè)傾向全盆地觀測(cè)線為BC測(cè)線、30201與30202面切眼側(cè)走向半盆地觀測(cè)線為B測(cè)線、30202面切眼側(cè)走向半盆地觀測(cè)線為C測(cè)線。地表移動(dòng)觀測(cè)站各測(cè)線布設(shè)總長(zhǎng)度約為7 006 m，測(cè)線點(diǎn)數(shù)共計(jì)232個(gè)。

母杜柴登煤礦地表移動(dòng)觀測(cè)線概況見表1。

表1 地表移動(dòng)觀測(cè)線概況Table 1 Overview of surface movement observation line

3 地表沉陷規(guī)律

3.1 地表沉陷特征

BC測(cè)線各次下沉曲線如圖1。

圖1 BC測(cè)線各次下沉曲線Fig.1 Each subsidence curves of BC survey line

BC測(cè)線為30201與30202工作面切眼側(cè)的傾向全盆地觀測(cè)線；2016年12月—2018年3月開采30201工作面，2018年4月至今回采30202工作面；由BC測(cè)線各次下沉曲線圖2可看出，2018年2月之前，地表下沉較為平緩，不存在所謂的“盆形”下沉盆地，2018年4月—2019年7月，伴隨30202工作面的開采，開采尺寸逐漸變大，BC25測(cè)點(diǎn)（30201工作面傾向主斷面附近）地表下沉由2018年9月的387 mm逐漸增加至1 592 mm。在BC30測(cè)點(diǎn)附近出現(xiàn)了最大下沉值，但采空區(qū)上方地表并未出現(xiàn)下沉盆地的平底。

分析其最終下沉曲線，其沉陷盆地邊緣坡度較小、較平緩，即地表下沉值較小，BC30測(cè)點(diǎn)的地表最大下沉值為1 690 mm；盆地內(nèi)邊緣傾斜變形值較小，BC測(cè)線上地表最終傾斜值約為5.93 mm/m（BC38點(diǎn)），“盆形”盆地的特征不太明顯，傾向方向尚未達(dá)到充分采動(dòng)。

3.2 地表沉陷參數(shù)擬合求取

應(yīng)用最小二乘法、基于Matlab曲線擬合程序[15-16]對(duì)母杜柴登煤礦地表觀測(cè)站實(shí)測(cè)下沉數(shù)據(jù)進(jìn)行求參擬合。求參過程中原點(diǎn)的定義：走向方向（A、B、C測(cè)線）的下沉曲線將坐標(biāo)原點(diǎn)定在開切眼側(cè)的采空區(qū)邊界處；傾向方向的下沉曲線將坐標(biāo)原點(diǎn)定在下山側(cè)的采空區(qū)邊界處；因此拐點(diǎn)偏移距若為正值，表示在采空區(qū)一側(cè)，若為負(fù)值，表示在煤柱一側(cè)。

30201工作面切眼側(cè)平均采厚為4.86 m、平均煤層傾角為2°、平均采深為630 m。A測(cè)線曲線擬合求參如圖2（僅應(yīng)用A1～A47測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)）。

圖2 A測(cè)線曲線擬合求參Fig.2 Curve fitting for parameters of A survey line

30202工作面切眼側(cè)平均采厚4.98 m、平均煤層傾角為2°、平均采深為632 m。C測(cè)線曲線擬合求參如圖3（僅應(yīng)用C1～C34測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)）。

圖3 C測(cè)線曲線擬合求參Fig.3 Curve fitting for parameters of C survey line

30201工作面在BC測(cè)線下部區(qū)域范圍內(nèi)平均采厚為4.86 m，平均煤層傾角為2°；30202工作面在BC測(cè)線下部區(qū)域范圍內(nèi)平均采厚為5.2 m，平均煤層傾角為2°；BC測(cè)線下部煤層的平均采深為633 m。BC測(cè)線曲線擬合求參如圖4（僅應(yīng)用BC1～BC33測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)）。

圖4 BC測(cè)線曲線擬合求參Fig.4 Curve fitting for parameters of BC survey line

母杜柴登煤礦概率積分法擬合地表移動(dòng)變形計(jì)算參數(shù)見表2。最后依據(jù)地表移動(dòng)觀測(cè)站的觀測(cè)效果、擬合效果等，綜合選取了母杜柴登煤礦地質(zhì)采礦條件下（非充分采動(dòng)）的地表移動(dòng)變形計(jì)算參數(shù)。

表2 概率積分法擬合地表移動(dòng)變形計(jì)算參數(shù)Table 2 Calculation parameters of surface movement and deformation for probability integral method

3.3 地表移動(dòng)角量參數(shù)

3.3.1 邊界角

母杜柴登煤礦地表存在一定厚度的風(fēng)積砂層且厚度變化不大，平均厚度為134 m（B17鉆孔位于規(guī)劃30203工作面中部，該鉆孔柱狀圖顯示由粉砂、細(xì)砂與黏土等組成的風(fēng)積砂厚度為134.8 m；B21鉆孔揭示風(fēng)積砂厚度為134.3 m；B22鉆孔位于A47測(cè)點(diǎn)附近，揭示風(fēng)積砂厚度為130.4 m；B23鉆孔位于C測(cè)線西部，揭示風(fēng)積砂厚度為136.2 m）；用兩點(diǎn)插值法計(jì)算或找出下沉值為10 mm的點(diǎn)，并以此點(diǎn)作為邊界點(diǎn)，以采深與邊界點(diǎn)在煤層上的投影點(diǎn)到工作面開采邊界的水平距離的比值求得該角值[12-15]。

A測(cè)線最外側(cè)的A1測(cè)點(diǎn)的最終下沉大于70 mm、B測(cè)線非主斷面，將C測(cè)線各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)下沉曲線修勻并應(yīng)用插值法，得下沉量值達(dá)到10 mm的測(cè)點(diǎn)在C1測(cè)點(diǎn)以南的12 m附近，量得該點(diǎn)距離30202工作面開切眼側(cè)采空區(qū)邊界的水平距離為554 m，如果不單獨(dú)考慮松散層移動(dòng)角值，求得的綜合走向邊界角為48.8°（根據(jù)鄂爾多斯地區(qū)流砂層厚度及相關(guān)參考文獻(xiàn)，風(fēng)積砂層移動(dòng)角φ=38°，求得tanδ0=1.344，走向邊界角δ0為53.3°）。

BC測(cè)線位于30201與30202工作面對(duì)應(yīng)地表為傾向全盆地觀測(cè)線，30202工作面運(yùn)輸巷側(cè)埋深約636 m，30201工作面回風(fēng)巷巷側(cè)埋深約629 m；風(fēng)積砂層平均厚度為134 m。BC測(cè)線上山側(cè)的最外BC1#測(cè)點(diǎn)的最終下沉大于45 mm，將BC測(cè)線各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)下沉曲線修勻并應(yīng)用插值法，得下沉量值達(dá)到10 mm的測(cè)點(diǎn)在BC60測(cè)點(diǎn)附近，量得該點(diǎn)距離30202工作面膠帶運(yùn)輸巷邊界的水平距離為525.2 m，如果不單獨(dú)考慮松散層移動(dòng)角值，求得的綜合下山邊界角為50.4°（風(fēng)積砂層移動(dòng)角φ=38°，求得tanβ0=1.419，下山邊界角β0為54.8°）。

3.3.2 移動(dòng)角

母杜柴登煤礦30201與30202工作面對(duì)應(yīng)地表移動(dòng)觀測(cè)站僅對(duì)各測(cè)點(diǎn)的高程坐標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，未開展測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)觀測(cè)；該區(qū)域由于埋深較大，地表相對(duì)平緩，曲率變形量值也相對(duì)較小，且敏感度和辨識(shí)度較低，因此在移動(dòng)角求取過程中的數(shù)據(jù)以傾斜變形為主并適當(dāng)參考曲率變形值。

根據(jù)A觀測(cè)線的傾斜變形曲線和曲率變形曲線，將各測(cè)點(diǎn)傾斜變形曲線和曲率變形曲線修勻并應(yīng)用插值法，傾斜變形3 mm/m的點(diǎn)[12-15]在A5測(cè)點(diǎn)附近取得，距離采空區(qū)邊界的水平距離為217 m，如果不單獨(dú)考慮松散層移動(dòng)角值，求得的綜合走向移動(dòng)角為71.0°（風(fēng)積砂層移動(dòng)角φ=38°，求得的走向移動(dòng)角δ為84.7°）。

根據(jù)C觀測(cè)線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪出該測(cè)線上的傾斜變形曲線和曲率變形曲線，該測(cè)線各測(cè)點(diǎn)的最大傾斜變形值出現(xiàn)在C25測(cè)點(diǎn)為2.64 mm/m（該測(cè)點(diǎn)位于開采工作面正上方的對(duì)應(yīng)地表）。

根據(jù)BC觀測(cè)線的傾斜變形曲線和曲率變形曲線，將各測(cè)點(diǎn)傾斜變形曲線和曲率變形曲線修勻并應(yīng)用插值法，上山側(cè)傾斜變形3 mm/m的點(diǎn)在BC10測(cè)點(diǎn)附近取得，距離采空區(qū)邊界的水平距離為245 m；下山側(cè)傾斜變形3 mm/m的點(diǎn)在BC39測(cè)點(diǎn)附近取得，該測(cè)點(diǎn)位于30202工作面對(duì)應(yīng)地表沉陷區(qū)內(nèi)側(cè)。如果不單獨(dú)考慮松散層移動(dòng)角值，求得的綜合上山移動(dòng)角為68.7°（風(fēng)積砂移動(dòng)角φ=38°，求得走向移動(dòng)角δ為81.6°）。

30201與30202工作面地表移動(dòng)觀測(cè)站各觀測(cè)線求得移動(dòng)角與邊界角參數(shù)見表3。

由實(shí)測(cè)邊界角值與移動(dòng)角值可知，母杜柴登煤礦30201與30202工作面地表風(fēng)積砂厚度較大、基巖厚度大、多組厚硬巖層賦存，煤礦開采后的邊界角值較小、地表沉陷影響范圍較大；但同時(shí)由于埋深較大，地表移動(dòng)變形較平緩，移動(dòng)角值偏大，即地表移動(dòng)變形劇烈程度較小、變形劇烈區(qū)主要集中在開采工作面對(duì)應(yīng)地表上部。

表3 各觀測(cè)線求得移動(dòng)角與邊界角參數(shù)Table 3 Parameters of movement angle and boundary angle for each observation line

3.3.3 充分采動(dòng)角

30201與30202工作面走向方向達(dá)到充分采動(dòng)（A線和C線），30201工作面傾向?qū)挾燃s為271 m（含兩側(cè)巷道寬）、30201工作面傾向?qū)挾燃s為279 m（含兩側(cè)巷道寬）、兩工作面間的保護(hù)煤柱寬約20 m，傾向開采尺寸按570 m計(jì)算，采深約630 m，由觀測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，傾向方向未出現(xiàn)下沉平底，只是接近充分采動(dòng)。因此由地表觀測(cè)數(shù)據(jù)只可推導(dǎo)計(jì)算出走向充分采動(dòng)角。

A測(cè)線在A24～A47測(cè)點(diǎn)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，A26測(cè)點(diǎn)的下沉值為1 574 mm，測(cè)得A26測(cè)點(diǎn)到開切眼的水平距離為302 m，因此tanψ3=2.09，得到走向充分采動(dòng)角ψ3=64.4°。

3.3.4 最大下沉角

由BC測(cè)線最終沉數(shù)據(jù)并結(jié)合各次觀測(cè)數(shù)據(jù)（部分測(cè)點(diǎn)的丟失），BC測(cè)線上測(cè)得最大下沉點(diǎn)在BC31測(cè)點(diǎn)附近，將最大下沉點(diǎn)投影到基巖面上，然后再將此點(diǎn)與工作面開采邊界點(diǎn)在基巖面上的投影的距離除以基巖面到煤層采空區(qū)中心點(diǎn)的垂直距離，比值tanθ=23.23，得到母杜柴登煤礦3201與3202工作面開采最大下沉角為87.5°。

4結(jié)論

1）母杜柴登煤礦由于采深較大，最終地表具有盆地邊緣坡度較小、較平緩的特征，即地表下沉值較小、約1 690 mm；盆地內(nèi)邊緣傾斜變形值較小、約為5.93 mm/m，“盆形”盆地的特征不太明顯。

2）母杜柴登地質(zhì)采礦條件下的地表沉陷計(jì)算參數(shù)為：下沉系數(shù)q=0.35，主要影響角正切值tanβ=1.51，下山邊界拐點(diǎn)偏移距S1=0.018H，上山邊界拐點(diǎn)偏移距S2=-0.038H，走向左側(cè)拐點(diǎn)偏移距S3=0.04H。

3）母杜柴登煤礦地表風(fēng)積砂厚度較大、基巖厚度大、多組厚硬巖層賦存，地表移動(dòng)的邊界角值較小、地表沉陷影響范圍較大；但同時(shí)由于埋深較大，地表移動(dòng)變形較平緩，移動(dòng)角值偏大，即地表移動(dòng)變形劇烈程度較小、變形劇烈區(qū)主要集中在開采工作面對(duì)應(yīng)地表上部。

4）取風(fēng)積砂層移動(dòng)角φ=38°，母杜柴登30201與30202工作面地質(zhì)采礦條件下的基巖走向邊界角δ0=53.3°，基巖下山邊界角β0=54.8°；基巖走向移動(dòng)角δ=84.7°，基巖下山移動(dòng)角γ=81.6°；走向充分采動(dòng)角ψ3=64.4°；最大下沉角為87.5°。