重復(fù)采動(dòng)條件下地表移動(dòng)變形規(guī)律實(shí)測(cè)研究

鄭志剛

(中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北唐山063012)

重復(fù)采動(dòng)是地表沉陷變形研究領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種采動(dòng)形式［1－3］，與單一煤層開(kāi)采條件下的地表移動(dòng)規(guī)律不同，重復(fù)采動(dòng)條件下地表沉陷變形規(guī)律更為復(fù)雜，地表沉陷變形在時(shí)間上和空間上更為集中，移動(dòng)變形值顯著增大，影響范圍更廣，動(dòng)態(tài)變形尤為劇烈，對(duì)地面建構(gòu)筑物的危害更大［4－6］。本文結(jié)合觀測(cè)站實(shí)測(cè)資料，對(duì)重復(fù)采動(dòng)條件下地表移動(dòng)變形規(guī)律作一些探討。

1 地質(zhì)采礦條件

鳳凰山井田位于沁水煤田南部、晉城礦區(qū)東部，井田內(nèi)廣為第四系黃土覆蓋。地層由老至新依次為石炭統(tǒng)、二迭統(tǒng)、第三系、第四系，主要可采煤層有3號(hào)、9號(hào)、15號(hào)煤。154309工作面位于三水平四盤(pán)區(qū)，工作面北部為老采空區(qū)，南側(cè)、西側(cè)、東側(cè)均為未采區(qū)。154309工作面長(zhǎng)約580m，寬173m，開(kāi)采太原組15號(hào)煤，采厚2.13m，傾角1～9°，采深約200m。上覆山西組3號(hào)煤、太原組9號(hào)煤均為地方小煤礦采空區(qū)，根據(jù)鉆孔揭露，3號(hào)煤厚約6m，下距15號(hào)煤85m，9號(hào)煤厚約2m，下距15號(hào)煤28 m。煤層上覆巖層主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖、石灰?guī)r和第四紀(jì)黃土層組成，其中第四紀(jì)黃土層厚度為14m。

154309工作面自2012年1月開(kāi)始回采，至2012年5月回采結(jié)束，推進(jìn)速度0.5～6.4 m/d左右，平均推進(jìn)速度3.9 m/d。采煤方法為綜合機(jī)械化采煤法。

2 觀測(cè)站設(shè)計(jì)與觀測(cè)

工作面上方地表布設(shè)了1條走向觀測(cè)線和1條傾向觀測(cè)線，2條觀測(cè)線均布設(shè)在工作面的主斷面上方，觀測(cè)線的布設(shè)情況見(jiàn)圖1。傾向觀測(cè)線布設(shè)工作測(cè)點(diǎn)32個(gè)，控制點(diǎn)3個(gè)，測(cè)線長(zhǎng)度為598m。走向線布工作測(cè)點(diǎn)36個(gè)，控制點(diǎn)3個(gè)，測(cè)線長(zhǎng)度為706m。工作測(cè)點(diǎn)間距約15m，控制點(diǎn)間距約45m。

圖1 觀測(cè)站平面位置示意

地表巖移觀測(cè)站于2011年12月建立，自2012年1月2日至2013年3月1日，分別進(jìn)行了13次全面觀測(cè)和13次日常高程觀測(cè)，取得了大量的觀測(cè)資料。

3 巖移參數(shù)求取

3.1 觀測(cè)資料分析

根據(jù)觀測(cè)資料，獲得了各次觀測(cè)的下沉曲線，圖2給出了傾向線和走向線的部分下沉曲線，表1為觀測(cè)站最大移動(dòng)變形值。

圖2 下沉曲線

表1 觀測(cè)站最大移動(dòng)變形值

從圖2可見(jiàn)，受開(kāi)采影響，地表下沉值逐漸增大，下沉曲線是連續(xù)漸變的，說(shuō)明觀測(cè)成果是可靠的。通過(guò)觀察不同時(shí)期的觀測(cè)結(jié)果可以看出，采動(dòng)初期地表沉降發(fā)展很快，后期地表下沉值變化相對(duì)較小。

3.2 起動(dòng)距

起動(dòng)距是指地表開(kāi)始移動(dòng)時(shí)工作面的推進(jìn)距離。根據(jù)實(shí)測(cè)資料，2012年1月16日，地表巖移觀測(cè)站54號(hào)測(cè)點(diǎn)下沉達(dá)到10mm，此時(shí)，工作面推進(jìn)了24 m，即工作面的起動(dòng)距為24m(0.12H，H為采深)。

3.3 超前影響距和超前影響角

在工作面推進(jìn)過(guò)程中，工作面前方的地表受采動(dòng)影響而下沉，這種影響稱為超前影響，將工作面前方地表開(kāi)始移動(dòng) (即下沉達(dá)到10 mm)的點(diǎn)與當(dāng)時(shí)工作面連線，此連線與水平線在煤柱一側(cè)的夾角稱為超前影響角，用ω表示，其計(jì)算公式為:

式中，l為超前影響距，m;H為平均開(kāi)采深度，m。

選取走向線上部分測(cè)點(diǎn)，計(jì)算其超前影響距見(jiàn)表2。求得平均超前影響距為l=64.3 m，超前影響角ω=73°。

表2 超前影響距和超前影響角

3.4 最大下沉速度及滯后角

根據(jù)走向線上部分測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)資料，繪制了測(cè)點(diǎn)的下沉速度曲線，圖3為走向線上65號(hào)測(cè)點(diǎn)的下沉速度曲線。經(jīng)分析可知，地表測(cè)點(diǎn)的最大下沉速度為143.4mm/d，最大下沉速度滯后距平均為76.6 m，最大下沉速度滯后角為φ=70.0°。

圖3 下沉速度曲線

地表最大下沉速度與工作面推進(jìn)速度、工作面開(kāi)采時(shí)地表最大下沉值成正比，與平均開(kāi)采深度成反比，其計(jì)算公式為

式中，K為下沉速度系數(shù)，取K=1.69;C為工作面推進(jìn)速度，m/d;H0為工作面平均采深，m;Wfm為地表最大下沉值，mm。

3.5 地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間

由下沉速度曲線可知，154309工作面開(kāi)采過(guò)程中，地表下沉速度大且分布集中。地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間為332d，其中初始期短，大約6d，地表沉降不明顯;活躍期較短，為102d，在此期間地表沉陷變形最為劇烈，地表下沉速度快速增大，進(jìn)入活躍期后約32d，地表下沉速度達(dá)到最大值，隨后下沉速度又快速減小;衰退期較長(zhǎng)，為224d，但累計(jì)地表下沉量不大。

分析可知，活躍期約占總移動(dòng)時(shí)間的30.7%，下沉量約占地表總沉降量的96.3%，其中地表下沉速度超過(guò)10mm/d的時(shí)間約為33d，占活躍期的32.4%，占地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間的9.9%，其下沉量占活躍期沉降量的88.0%，占地表總沉降量的84.7%;衰退期較長(zhǎng)，但下沉量?jī)H占總沉降量的1.7%。

3.6 巖移角值

通過(guò)對(duì)觀測(cè)資料的整理和分析，獲得了地表移動(dòng)變形的巖移角值，見(jiàn)表3。

表3 地表巖移角值

3.7 地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)

根據(jù)實(shí)測(cè)資料，采用曲線擬合法，進(jìn)行了求參分析，獲得了概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)，見(jiàn)表4，圖4為下沉曲線擬合圖。

表4 地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)

4 地表移動(dòng)變形規(guī)律

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和實(shí)測(cè)資料可知，本區(qū)域的地表移動(dòng)與變形具有如下規(guī)律和特點(diǎn):

圖4 下沉擬合曲線

(1)地表下沉值大，地表下沉系數(shù)為0.96。重復(fù)采動(dòng)條件下，上覆巖層承載能力顯著降低，在自重荷載作用下近似整體快速下沉，相對(duì)懸空的時(shí)間顯著減少，致使采空區(qū)地表沉陷變形更為劇烈且集中［7－8］。另外，老采空區(qū)的活化影響也是造成地表下沉值增大的重要因素。

(2)地表移動(dòng)變形在空間上更為集中，下沉盆地陡峭［9－11］。重復(fù)采動(dòng)條件下上覆地層較為破碎，強(qiáng)度降低，致使地層在垂直方向上的移動(dòng)顯著加快，而在水平方向上的移動(dòng)變形明顯滯后，造成了采空區(qū)正上方下沉量大，采空區(qū)邊界附近地表下沉盆地陡峭，移動(dòng)變形值大且分布集中，而采空區(qū)邊界以外地表下沉盆地平緩。

(3)地表移動(dòng)變形在時(shí)間上更為集中，地表下沉速度大［12－13］。地表沉陷變形主要發(fā)生于活躍期內(nèi)，活躍期約占總移動(dòng)時(shí)間的30.7%，下沉量占總沉降量的96.3%左右，活躍期內(nèi)地表下沉速度超過(guò)10mm/d的時(shí)間約為33d，地表最大下沉速度為143.4mm/d;起始期和衰退期共230d，下沉量?jī)H占總沉降量的3.7%。

(4)地表裂縫較為發(fā)育，裂縫間距4～20m，裂縫寬度3～150mm，部分區(qū)域伴有臺(tái)階狀破壞，最大落差達(dá)100mm。

5 結(jié)論

重復(fù)采動(dòng)條件下地表移動(dòng)變形有以下特點(diǎn):地表沉陷變形劇烈，下沉盆地陡峭、變形分布集中，地表下沉系數(shù)顯著增大，采動(dòng)影響范圍增大;地表動(dòng)態(tài)變形劇烈，地表下沉速度大;地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間較短，地表下沉主要集中于活躍期，活躍期約占地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間的30.7%，其下沉量占地表總沉降量的96.3%。在巖移預(yù)計(jì)參數(shù)上表現(xiàn)為地表下沉系數(shù)大，水平移動(dòng)系數(shù)、影響傳播角系數(shù)偏小，邊界角、移動(dòng)角值、主要影響角正切tanβ較小。

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