松軟砂巖下開采地表移動變形規(guī)律研究*

鄧偉男

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013； 2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計事業(yè)部，北京 100013)

我國從二十世紀五十年代開始建立地表移動觀測站[1-2]，并在全國范圍內(nèi)開展地表移動實測規(guī)律的研究工作，積累了豐富的各礦區(qū)巖移資料[3-9]。隨著采煤技術(shù)的進步，復(fù)雜或特殊地質(zhì)采礦條件下的沉陷變形研究需求越來越多，但技術(shù)支持與生產(chǎn)相脫節(jié)，大型礦井缺少基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的情況較為常見。另外，在我國積極發(fā)展綠色礦山、要求經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護相協(xié)調(diào)的大趨勢下，對礦區(qū)采煤沉陷的監(jiān)測工作也顯得十分必要[10-12]。

本文基于沙吉海煤礦首采工作面B1003W01，通過實測對松軟砂巖下綜采放頂煤開采的地表移動變形規(guī)律和參數(shù)進行研究，為該礦和近似條件礦區(qū)的生產(chǎn)與地表保護提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

沙吉海煤礦位于新疆塔城地區(qū)和布克賽爾蒙古自治縣和什托洛蓋鎮(zhèn)東北約70 km的沙吉海礦區(qū)，地理坐標為東經(jīng)86°27′54″～86°43′46″，北緯46°34′23″～46°41′27″。礦井東西走向長7.94 km，南北寬3.2～3.7 km，面積27.4 km2。礦井設(shè)計生產(chǎn)能力5.0 Mt/a，服務(wù)年限70.4 a。礦井采用兩斜井一立井的綜合開拓方式(主、副井為反斜井)、綜采放頂煤的采煤工藝、全部垮落法管理頂板。

根據(jù)沙吉海煤礦井田內(nèi)鉆孔實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，其首采的B10煤層覆巖結(jié)構(gòu)以砂巖類巖層為主、砂泥巖交互沉積，砂巖含量達65%以上，覆巖自然狀態(tài)下的平均單軸抗壓強度為19.10 MPa。由此可確定B10煤層覆巖屬軟弱類型[13]。

B1003W01工作面為沙吉海煤礦首采工作面，順槽長2 300 m，工作面斜長213 m，平均采深300 m，平均采厚6.65 m，煤層傾角11°～15°，平均13°。地質(zhì)條件簡單，無斷層揭露，地表為戈壁荒原，由混雜堆積的砂、礫石和少量黃土構(gòu)成。

2 觀測站設(shè)計與觀測

2.1 觀測站布置

采礦引起的地表沉陷是許多地質(zhì)采礦因素綜合影響的結(jié)果，認識這一復(fù)雜過程的最好方法是建立地表移動觀測站，并進行現(xiàn)場實測。單個工作面的地表移動觀測站一般由走向觀測線和傾向觀測線組成，由于沙吉海煤礦B1003W01工作面走向長度(2 300 m)遠大于該地質(zhì)采礦條件下達到充分開采所需要的最小尺寸(按采深估算約400 m)，開采后走向上沉陷曲線應(yīng)呈對稱分布；同時，在地表移動觀測站設(shè)計前工作面已經(jīng)開始回采，開切眼側(cè)地表不宜布設(shè)觀測站。因此，本次地表移動觀測站選擇布置在停采線一側(cè)，采用半條走向觀測線及完整的一條傾向觀測線的布設(shè)形式。

地表移動觀測站位置設(shè)計時，考慮走向觀測線布設(shè)于地表移動盆地的走向主斷面上，傾向觀測線必須通過充分采動區(qū)且在觀測開始前不應(yīng)受到工作面推進的影響；長度設(shè)計時，考慮觀測線的控制范圍必須能夠反映地表移動盆地特征的原則，觀測線的長度應(yīng)超過移動盆地邊界一定距離，以便確定移動盆地的邊緣。

結(jié)合礦井實際地質(zhì)采礦條件，根據(jù)《煤礦測量規(guī)程》中相關(guān)要求，沙吉海煤礦B1003W01工作面走向觀測線A線布置于工作面中心向下山方向偏移42 m，長度600 m，設(shè)計測點31個，測點間距20 m；傾向觀測線B線到停采線的距離為300 m，長度800 m，設(shè)計測點41個，測點間距20 m。

測點埋設(shè)時采用機械打鉆、混凝土加筋澆筑的方式，測點底面在當?shù)刈畲髢鐾辆€以下0.57 m，埋設(shè)深度2.4 m。B1003W01工作面地表移動觀測站實際布設(shè)如圖1所示。

2.2 實測工作簡介

B1003W01工作面開采時間為2014年7月～2017年5月，地表移動觀測時間為2015年9月13日～2018年5月1日。共進行連接測量2次，平面、高程全面觀測6次，日常高程觀測3次。

3 觀測結(jié)果與分析

3.1 觀測結(jié)果

選取若干次觀測成果進行下沉、水平移動曲線繪制，走向結(jié)果如圖2、圖3所示，傾向結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖2 走向觀測線(A線)下沉曲線

圖3 走向觀測線(A線)水平移動曲線

B1003W01工作面開采后，地表最大下沉1 945 mm，最大下沉點出現(xiàn)在走向線A3、傾向線B21處。圖4 傾向觀測線(B線)下沉曲線

圖5 傾向觀測線(B線)水平移動曲線

由于煤層傾角較大，傾向上最大下沉點明顯偏向工作面下山方向。由于觀測工作面傾向長度213 m，單工作面開采時，傾向上未能達到充分采動。根據(jù)工作面的平均采厚6.65 m，計算實測的下沉率為0.29。

指向開切眼方向的水平移動極值出現(xiàn)在A12測點處，在停采線上方明顯偏向采空區(qū)一側(cè)。因為走向觀測線布置在停采線一側(cè)，本觀測站不能反應(yīng)指向推進方向的水平移動極值。

傾向觀測線上，指向下山方向的水平移動最大值出現(xiàn)在B15測點處，指向上山方向的水平移動最大值出現(xiàn)在B24測點，極值大致位于工作面開采邊界處。在數(shù)值上，指向上山方向的水平移動明顯大于指向下山方向的水平移動值。

3.2 極值

根據(jù)最后一次觀測數(shù)據(jù)(2018年5月1日)，B1003W01工作面開采后地表移動變形極值如表1所示。

3.3 角量參數(shù)

B1003W01工作面在走向方向達到了充分采動，由A線實測下沉值綜合分析可知：地表下沉10 mm的點位于A22～A23測點之間，距離B1003W01工作面停采線154 m。根據(jù)B1003W01工作面平均采深300 m，求得走向綜合邊界角δ0=62.3°。

下山方向的邊界點位于B40～B41測點之間，距離B1003W01工作面下山邊界327 m，根據(jù)B1003W01工作面下山邊界采深320 m、觀測線位置平均傾角13°，求得下山綜合邊界角β0=43.8°；上山方向的邊界點位于B3～B4測點之間，距離B1003W01工作面上山邊界198 m，根據(jù)B1003W01工作面上山邊界采深280 m、觀測線位置平均傾角13°，求得上山綜合邊界角γ0=54.1°。

傾斜、曲率和水平變形可由下沉和水平移動求得，在傾斜、曲率和水平變形曲線上求得走向綜合移動角δ=86.5°，下山綜合移動角β=75°，上山綜合移動角γ=84.7°。

根據(jù)走向下沉曲線形態(tài)綜合分析，B1003W01工作面走向地表移動盆地平底邊緣點位于A4測點處，距離B1003W01工作面停采線223 m。根據(jù)B1003W01工作面平均采深300 m，求得走向充分采動角ψ3=52.8°。

由傾向下沉曲線可知，傾向方向為非充分采動，地表最大下沉出現(xiàn)在B21測點處，距離工作面采空區(qū)中點42 m。根據(jù)B1003W01工作面平均采深300 m、觀測線位置平均傾角13°，求得最大下沉角θ=81.9°。

3.4 動態(tài)移動變形參數(shù)

由于B1003W01工作面的觀測線布置在停采線一側(cè)，起動距無法求取。

最大下沉點B21整個移動過程中，開始階段持續(xù)約71 d；活躍階段持續(xù)約247 d；以6個月內(nèi)下沉累計不超過30 mm(下沉速度小于0.016 7 mm/d)作為地表穩(wěn)定的標志，衰退階段持續(xù)約159 d。B1003W01工作面最大下沉點累計移動時間約477 d，其中，活躍階段占整個移動時間的52%。

3.5 結(jié)果分析

工作面傾向方向地表下沉曲線向下山方向偏移明顯，指向上山方向的水平移動明顯大于指向下山方向的水平移動。

由于上覆巖層軟弱，地表變形較為集中，工作面邊界以外區(qū)域變形值偏小。傾斜方向上采動影響范圍比走向大(邊界角小)，其中，下山邊界角最小，為43.8°，總體而言移動角比邊界角大得多，最小的下山移動角為75°，遠大于下山邊界角。

地表最大下沉點移動活躍階段占整個移動時間較長。

4 地表移動計算參數(shù)

由于B1003W01工作面為非充分開采，無法直接利用地表最大下沉值及最大水平移動值等實測數(shù)據(jù)求取概率積分法地表移動計算參數(shù)，因此，采用計算機擬合的方法進行求取。

用地表移動觀測站最后一次觀測的下沉及水平移動數(shù)據(jù)擬合求取B1003W01工作面綜放開采條件下概率積分法地表移動預(yù)計參數(shù)為：下沉系數(shù)q=0.8，水平移動系數(shù)b=0.23，主要影響角正切tanβ=2.0，下山邊界拐點偏移距S1=0.23H1(H1為下山邊界采深，m)，上山邊界拐點偏移距S2=0.28H2(H2為上山邊界采深，m)，走向拐點偏移距S3=0.32H0(H0為平均采深，m)，開采影響傳播角θ0=90-0.62α(α為煤層傾角)。走向下沉擬合曲線如圖6所示。

圖6 走向觀測線下沉擬合曲線

5 結(jié) 論

通過對沙吉海煤礦B1003W01首采工作面建立地表移動觀測站，并進行觀測數(shù)據(jù)的分析、總結(jié)，得到當?shù)氐牡乇硪苿幼冃螀?shù)，分析了在松軟砂巖條件下的開采沉陷規(guī)律。

(1)在B1003W01工作面條件下，觀測得到的最大下沉為1 945 mm，未達到充分采動；最大水平移動為784 mm。

(2)觀測得到的地表移動角量參數(shù)為：走向綜合邊界角62.3°，下山綜合邊界角43.8°，上山綜合邊界角54.1°，走向綜合移動角86.5°，下山綜合移動角75°，上山綜合移動角84.7°，走向充分采動角52.8°，最大下沉角81.9°。地表移動持續(xù)時間為477 d，其中，活躍期占52%。

(3)傾斜方向地表下沉曲線向下山方向偏移明顯，指向上山方向的水平移動明顯大于指向下山方向的水平移動；由于上覆巖層軟弱，地表變形較為集中，工作面邊界以外區(qū)域變形值偏小，且總體而言移動角比邊界角大得多；地表移動活躍階段占整個移動時間的比例大。

(4)通過計算機擬合的方法求取了B1003W01工作面的概率積分法地表移動計算參數(shù)，其中，下沉系數(shù)0.8，水平移動系數(shù)0.23，主要影響角正切2.0，下山邊界拐點偏移距0.23H1，上山邊界拐點偏移距0.28H2，走向拐點偏移距0.32H0，開采影響傳播角90-0.62α。