厚基巖大采深條件下地表沉陷規(guī)律實測研究

高 超，張玉軍，李 平，徐乃忠，田國燦

（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，對筑物、水體、環(huán)境等造成不同程度的損害。對于厚基巖、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)，其地表移動變形規(guī)律研究較少；當(dāng)涉及“三下”采煤時，缺少相關(guān)的地表沉陷計算參數(shù)與角量參數(shù)，往往采用經(jīng)驗法或工程類比法進(jìn)行，威脅地面建筑的安全使用。

目前對于各地質(zhì)采礦條件下的地表移動變形規(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]對急傾斜礦體開采的地表移動變形特殊性進(jìn)行了分析；高超等[4]基于東坡煤礦實測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變形規(guī)律；劉書賢等[5]分析了多煤層重復(fù)采動與建筑損壞的關(guān)系；郭文兵等[6]探討了厚濕陷性黃土層影響的地表移動變形特征；滕永海等[7]基于五陽煤礦地表移動觀測站實測資料分析了綜放開采條件下的地表移動變形特點；李春意等[8]對大采深、非充分采動條件下的地表移動規(guī)律進(jìn)行實測分析；李新嶺等[9]研究了土體壓縮對巨厚松散層條件下的地表沉陷影響；譚志祥等[10]對高強(qiáng)度綜放開采條件下地表沉陷規(guī)律進(jìn)行了實測分析；王鵬[11]、李圣軍[12]分別對韓家灣、哈拉溝煤礦高強(qiáng)度開采條件下地表移動變形進(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變形特征。

基于以上研究，針對內(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)置地表移動觀測站及取得的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，初步掌握了該地質(zhì)采礦條件下的地表移動變形；分析了其地表沉陷特征、移動角量參數(shù)；擬合求取了該地質(zhì)采礦條件下的地表沉陷計算參數(shù)；對指導(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)場地進(jìn)場公路、井田東部的油氣井、礦井工業(yè)場地、蓄水池和零星村莊。

1.2 工作面概況

井田設(shè)1個主水平和5個輔助水平進(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)計工作面長度約為240 m，設(shè)計工作面推進(jìn)長度約為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。工作面斜長為268 m，設(shè)計工作面推進(jìn)長度約為3 718 m。

2 地表移動觀測站布設(shè)

地表移動變形是1個復(fù)雜的運動過程，設(shè)置地表移動觀測站及對測點進(jìn)行觀測是認(rèn)識地表移動最為直接的方法[14]。觀測站的實地觀測可獲取地表移動變形的第1手資料；對這些資料進(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工作面地表移動觀測站測點間距取25 m，測點的埋設(shè)為現(xiàn)場混凝土灌注；共布置4條測線，各測線觀測次數(shù)為33～77次不等，觀測時間歷時約2.5年。

現(xiàn)對各測線分述如下：30201面切眼側(cè)走向半盆地觀測線為A測線、30201與30202面切眼側(cè)傾向全盆地觀測線為BC測線、30201與30202面切眼側(cè)走向半盆地觀測線為B測線、30202面切眼側(cè)走向半盆地觀測線為C測線。地表移動觀測站各測線布設(shè)總長度約為7 006 m，測線點數(shù)共計232個。

母杜柴登煤礦地表移動觀測線概況見表1。

表1 地表移動觀測線概況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測線各次下沉曲線如圖1。

圖1 BC測線各次下沉曲線Fig.1 Each subsidence curves of BC survey line

BC測線為30201與30202工作面切眼側(cè)的傾向全盆地觀測線；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測點（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測點附近出現(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測點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測線上地表最終傾斜值約為5.93 mm/m（BC38點），“盆形”盆地的特征不太明顯，傾向方向尚未達(dá)到充分采動。

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]對母杜柴登煤礦地表觀測站實測下沉數(shù)據(jù)進(jìn)行求參擬合。求參過程中原點的定義：走向方向（A、B、C測線）的下沉曲線將坐標(biāo)原點定在開切眼側(cè)的采空區(qū)邊界處；傾向方向的下沉曲線將坐標(biāo)原點定在下山側(cè)的采空區(qū)邊界處；因此拐點偏移距若為正值，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測線曲線擬合求參如圖2（僅應(yīng)用A1～A47測點實測數(shù)據(jù)）。

圖2 A測線曲線擬合求參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測線曲線擬合求參如圖3（僅應(yīng)用C1～C34測點實測數(shù)據(jù)）。

圖3 C測線曲線擬合求參Fig.3 Curve fitting for parameters of C survey line

30201工作面在BC測線下部區(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測線下部煤層的平均采深為633 m。BC測線曲線擬合求參如圖4（僅應(yīng)用BC1～BC33測點數(shù)據(jù)）。

圖4 BC測線曲線擬合求參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變形計算參數(shù)見表2。最后依據(jù)地表移動觀測站的觀測效果、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）的地表移動變形計算參數(shù)。

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

3.3 地表移動角量參數(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測點附近，揭示風(fēng)積砂厚度為130.4 m；B23鉆孔位于C測線西部，揭示風(fēng)積砂厚度為136.2 m）；用兩點插值法計算或找出下沉值為10 mm的點，并以此點作為邊界點，以采深與邊界點在煤層上的投影點到工作面開采邊界的水平距離的比值求得該角值[12-15]。

A測線最外側(cè)的A1測點的最終下沉大于70 mm、B測線非主斷面，將C測線各測點實測下沉曲線修勻并應(yīng)用插值法，得下沉量值達(dá)到10 mm的測點在C1測點以南的12 m附近，量得該點距離30202工作面開切眼側(cè)采空區(qū)邊界的水平距離為554 m，如果不單獨考慮松散層移動角值，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)積砂層移動角φ=38°，求得tanδ0=1.344，走向邊界角δ0為53.3°）。

BC測線位于30201與30202工作面對應(yīng)地表為傾向全盆地觀測線，30202工作面運輸巷側(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測線上山側(cè)的最外BC1#測點的最終下沉大于45 mm，將BC測線各測點實測下沉曲線修勻并應(yīng)用插值法，得下沉量值達(dá)到10 mm的測點在BC60測點附近，量得該點距離30202工作面膠帶運輸巷邊界的水平距離為525.2 m，如果不單獨考慮松散層移動角值，求得的綜合下山邊界角為50.4°（風(fēng)積砂層移動角φ=38°，求得tanβ0=1.419，下山邊界角β0為54.8°）。

3.3.2 移動角

母杜柴登煤礦30201與30202工作面對應(yīng)地表移動觀測站僅對各測點的高程坐標(biāo)進(jìn)行觀測，未開展測點的平面坐標(biāo)觀測；該區(qū)域由于埋深較大，地表相對平緩，曲率變形量值也相對較小，且敏感度和辨識度較低，因此在移動角求取過程中的數(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觀測線的傾斜變形曲線和曲率變形曲線，將各測點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[12-15]在A5測點附近取得，距離采空區(qū)邊界的水平距離為217 m，如果不單獨考慮松散層移動角值，求得的綜合走向移動角為71.0°（風(fēng)積砂層移動角φ=38°，求得的走向移動角δ為84.7°）。

根據(jù)C觀測線實測數(shù)據(jù)繪出該測線上的傾斜變形曲線和曲率變形曲線，該測線各測點的最大傾斜變形值出現(xiàn)在C25測點為2.64 mm/m（該測點位于開采工作面正上方的對應(yīng)地表）。

根據(jù)BC觀測線的傾斜變形曲線和曲率變形曲線，將各測點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的點在BC10測點附近取得，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的點在BC39測點附近取得，該測點位于30202工作面對應(yīng)地表沉陷區(qū)內(nèi)側(cè)。如果不單獨考慮松散層移動角值，求得的綜合上山移動角為68.7°（風(fēng)積砂移動角φ=38°，求得走向移動角δ為81.6°）。

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

由實測邊界角值與移動角值可知，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；但同時由于埋深較大，地表移動變形較平緩，移動角值偏大，即地表移動變形劇烈程度較小、變形劇烈區(qū)主要集中在開采工作面對應(yīng)地表上部。

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

3.3.3 充分采動角

30201與30202工作面走向方向達(dá)到充分采動（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計算，采深約630 m，由觀測數(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。因此由地表觀測數(shù)據(jù)只可推導(dǎo)計算出走向充分采動角。

A測線在A24～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，A26測點的下沉值為1 574 mm，測得A26測點到開切眼的水平距離為302 m，因此tanψ3=2.09，得到走向充分采動角ψ3=64.4°。

3.3.4 最大下沉角

由BC測線最終沉數(shù)據(jù)并結(jié)合各次觀測數(shù)據(jù)（部分測點的丟失），BC測線上測得最大下沉點在BC31測點附近，將最大下沉點投影到基巖面上，然后再將此點與工作面開采邊界點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，下山邊界拐點偏移距S1=0.018H，上山邊界拐點偏移距S2=-0.038H，走向左側(cè)拐點偏移距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，地表移動的邊界角值較小、地表沉陷影響范圍較大；但同時由于埋深較大，地表移動變形較平緩，移動角值偏大，即地表移動變形劇烈程度較小、變形劇烈區(qū)主要集中在開采工作面對應(yīng)地表上部。

4）取風(fēng)積砂層移動角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°；基巖走向移動角δ=84.7°，基巖下山移動角γ=81.6°；走向充分采動角ψ3=64.4°；最大下沉角為87.5°。