厚黃土下綜放高強(qiáng)度開采地表沉陷與覆巖破壞實(shí)測(cè)

朱 偉 滕永海 鄭志剛

(中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

厚黃土下綜放高強(qiáng)度開采地表沉陷與覆巖破壞實(shí)測(cè)

朱 偉 滕永海 鄭志剛

(中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

為研究厚黃土下厚煤層綜放開采地表沉陷和覆巖破壞規(guī)律，通過在工作面地表建立巖移觀測(cè)站和地面鉆孔水文勘探，進(jìn)行了地表沉陷變形實(shí)測(cè)和覆巖破壞高度鉆探測(cè)定?？偨Y(jié)研究地表巖移觀測(cè)站實(shí)測(cè)資料和覆巖破壞探測(cè)鉆孔水文觀測(cè)資料，得出厚黃土綜放高強(qiáng)度條件下地表沉陷劇烈，曲線較陡，在下沉盆地邊緣沉陷變形曲線收斂較慢，最大下沉速度偏大，采動(dòng)影響范圍偏遠(yuǎn)；覆巖破壞探測(cè)結(jié)果顯示綜放覆巖破壞異常發(fā)育，導(dǎo)水裂縫帶高度與綜放采厚近似成正比，裂高采厚比例系數(shù)平均為19.75。研究成果為黃土區(qū)綜放地表開采損害防治和水體下采煤及頂板水害防治提供技術(shù)支撐。

綜放開采 地表沉陷 覆巖破壞 防治

綜采放頂煤具有掘進(jìn)率低，高產(chǎn)高效以及對(duì)地質(zhì)采礦條件的高適應(yīng)性等優(yōu)勢(shì)，在厚煤層礦區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)效益。厚煤層綜放一次采全高，推進(jìn)速度快，開采強(qiáng)度大，造成的地表沉陷變形劇烈，特別在厚黃土層條件下表現(xiàn)出了較特殊的沉陷變形特征，對(duì)地表建構(gòu)筑物采動(dòng)損害防治提出了新的要求[1-4]。同時(shí)綜放開采覆巖移動(dòng)破壞劇烈，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育異常充分，對(duì)厚煤層水體下綜放高效開采實(shí)施和頂板水害防治缺乏必要的資料支撐[5-8]?；诖?，潞安集團(tuán)王莊煤礦結(jié)合6206綜放工作面的開采，在地表建立了巖移觀測(cè)系統(tǒng)和覆巖破壞鉆探水文觀測(cè)系統(tǒng)，在實(shí)測(cè)資料分析研究的基礎(chǔ)上，得到了厚黃土條件下厚煤層高強(qiáng)度綜放地表沉陷特征和覆巖破壞規(guī)律，為礦井“三下”采煤提供了可靠的實(shí)測(cè)資料和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 地質(zhì)采礦條件及現(xiàn)場(chǎng)工作

1.1 工作面開采技術(shù)條件

王莊煤礦年產(chǎn)量約800萬t，煤系地層主要為石炭系上統(tǒng)太原組和二迭系下統(tǒng)山西組，開采煤層為二迭系下統(tǒng)山西組底部3#厚煤層。

6206工作面四周均未進(jìn)行開采，工作面地表地勢(shì)較平坦。工作面呈刀把形，近走向布置，走向總長(zhǎng)約1 780 m，傾向?qū)?40 m(刀把面)和248 m(常規(guī)面)。開采期間工作面推進(jìn)速度4～9 m/d，開采強(qiáng)度大。工作面煤層厚度約6 m，傾角2°，采深為300～310 m，上覆地層主要有各類砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖和第四系松散層組成，鉆探第四系黃土厚約130 m，占到地層比例40%～50%，為飽和硬塑的堅(jiān)硬黏土。采煤方法為綜采放頂煤一次采全高，全部垮落法管理頂板，采放比約1∶1。

1.2 觀測(cè)系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)工作

根據(jù)6206工作面地表實(shí)際情況，地表巖移觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)了半條走向觀測(cè)線(C線)和2條傾向觀測(cè)線(A線和B線)。其中傾向觀測(cè)線A線布置工作測(cè)點(diǎn)39個(gè)，東部控制點(diǎn)3個(gè)；B線布置工作測(cè)點(diǎn)40個(gè)，東部控制點(diǎn)3個(gè)。走向觀測(cè)線C線布設(shè)工作測(cè)點(diǎn)44個(gè)，北部控制點(diǎn)3個(gè)。觀測(cè)線總長(zhǎng)度為3 003 m。巖移觀測(cè)站共進(jìn)行了11次全面觀測(cè)和24次日常水準(zhǔn)觀測(cè)。為了觀測(cè)綜放工作面開采頂板覆巖破壞高度，采用地面鉆孔水文觀測(cè)方法，共布置施工了3個(gè)地面觀測(cè)鉆孔，在刀把區(qū)域靠近2巷各1個(gè)，工作面中間區(qū)域1個(gè)。地表巖移觀測(cè)線和覆巖破壞觀測(cè)鉆孔布置如圖1所示。

圖1 地表巖移及覆巖破壞觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)示意

2 綜放地表沉陷實(shí)測(cè)及規(guī)律

2.1 綜放地表沉陷變形實(shí)測(cè)值

根據(jù)實(shí)測(cè)資料，經(jīng)過反演計(jì)算分析，得到地表最大移動(dòng)和變形值如表1所示。

可以看出A線實(shí)測(cè)最大下沉值遠(yuǎn)小于B線實(shí)測(cè)最大下沉值，這是由測(cè)線處工作面開采寬度決定的，B線處采寬約248 m，寬度方向上基本上達(dá)到充分采動(dòng)程度，A線處采寬相對(duì)于埋深僅處于非充分采動(dòng)狀態(tài)，抑制了地表最大下沉值。

表1 各測(cè)線實(shí)測(cè)地表最大移動(dòng)變形值

2.2 地表移動(dòng)角值

(1)巖移角。通過對(duì)觀測(cè)資料的綜合整理和分析，分別求出了上山、下山方向巖層移動(dòng)的邊界角、移動(dòng)角和裂縫角值，如表2所示。

表2 實(shí)測(cè)地表靜態(tài)移動(dòng)角值

(2)動(dòng)態(tài)巖移參數(shù)。經(jīng)過計(jì)算分析，綜放工作面地表超前影響距為132.8 m，超前影響角值為68°，最大下沉速度滯后角約為80°，實(shí)測(cè)最大地表下沉速度達(dá)到144.3 mm/d。

(3)地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間。地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 實(shí)測(cè)地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間

(4)地表裂縫。地表裂縫分為2種，一種是工作面正上方臨時(shí)裂縫，在工作面前方影響范圍內(nèi)產(chǎn)生，實(shí)測(cè)資料顯示通常每隔6～10 m出現(xiàn)1條與回采線大致平行的弧狀裂縫，寬度20～40 mm，隨著工作面向前推進(jìn)壓縮閉合，裂縫產(chǎn)生步距與工作面周期來壓步距基本一致。一種為存在于工作面開采范圍外側(cè)拉伸區(qū)域的永久性裂縫，圖2、圖3為6206工作面地表沉陷盆地與工作面外側(cè)永久裂縫，裂縫地表處最寬50～100 mm，現(xiàn)場(chǎng)勘查裂縫兩側(cè)基本不發(fā)育臺(tái)階。

2.3 地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)

結(jié)合6206工作面的實(shí)際條件，用概率積分法求得預(yù)計(jì)時(shí)所需要的計(jì)算參數(shù)，如表4所示。

2.4 厚黃土下綜放地表沉陷規(guī)律

由于黃土層占據(jù)地層比重較大，相比基巖其自承載能力較差，沉陷在土層中傳播較快，反映到地表則表現(xiàn)地表沉陷變形發(fā)生時(shí)間快而集中，地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間縮短，地表最大下沉速度大，在拐點(diǎn)內(nèi)側(cè)下沉值較大，在拐點(diǎn)處變形發(fā)展較為迅速，曲線較陡，統(tǒng)計(jì)顯示活躍期約為4個(gè)月，占總移動(dòng)時(shí)間的43.7%，期間內(nèi)下沉量占總沉降量的98%左右。拐點(diǎn)以外區(qū)域沉陷變形曲線收斂慢，影響范圍向外擴(kuò)展較遠(yuǎn)，但沉陷變形絕對(duì)值非常小，地表采動(dòng)損害影響較小。

圖2 刀把區(qū)地表沉陷盆地

圖3 永久裂縫

表4 擬合地表沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)

3 綜放覆巖破壞實(shí)測(cè)

3.1 覆巖破壞實(shí)測(cè)

相比較物探等方法，地面鉆孔探測(cè)是一種比較可靠的確定覆巖采動(dòng)后其導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度的方法。通過鉆孔鉆進(jìn)過程中，進(jìn)行水文觀測(cè)，包括沖洗液消耗量、上下鉆水位、注水實(shí)驗(yàn)資料，以及鉆取巖芯的完整及裂縫發(fā)育程度等綜合分析判斷導(dǎo)水裂縫帶頂界面位置。水文觀測(cè)曲線如圖4所示(僅以1#鉆孔為例)。

通過1號(hào)孔水文觀測(cè)曲線可以看出，孔深在180 m以上，沖洗液漏失量非常小，靜壓注水試驗(yàn)注水量很小，說明本處地層較完整，原生裂隙較少。再往下鉆進(jìn)1～2 m，沖洗液消耗量激增，注水量加大，但孔內(nèi)還能測(cè)到水位(雖然降深大)，說明鉆探層位已經(jīng)進(jìn)入到覆巖破壞頂部微裂隙區(qū)，但尚未和井下開采空間導(dǎo)通，可以以此確定為本孔導(dǎo)水裂縫帶頂界面。繼續(xù)向下鉆進(jìn)，通過所取巖芯可以發(fā)現(xiàn)，裂縫尺寸較大，多以高角度縱向裂縫為主，如圖5所示。2、3號(hào)孔水文觀測(cè)曲線(圖示從略)呈現(xiàn)出相似的物理量變化規(guī)律，但3號(hào)孔鉆進(jìn)過程中沖洗液漏失量和注水量變化幅度較大，說明圍巖原生裂隙較發(fā)育，但不具有規(guī)律性。在確定最終的漏水層位和導(dǎo)水裂帶頂界面時(shí)，還應(yīng)考慮地面下沉量的影響。覆巖破壞實(shí)測(cè)成果如表5所示。

圖4 鉆孔典型水文觀測(cè)曲線

3.2 綜放覆巖破壞特征

通過總結(jié)分析6206工作面覆巖破壞觀測(cè)成果，厚煤層綜放一次采全高高強(qiáng)度開采條件下覆巖破壞劇烈，在基巖柱厚度足夠的情況下，導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育非常充分，但未達(dá)到基巖分界面，厚黃土層未對(duì)覆巖破壞產(chǎn)生抑制影響，導(dǎo)水裂縫帶高度與綜放采厚近似成正比例關(guān)系，裂高采厚比平均為19.75倍。覆巖破壞形態(tài)如圖6所示。

圖5 巖層中裂縫發(fā)育狀況

表5 綜放覆巖破壞實(shí)測(cè)成果

圖6 綜放開采覆巖破壞形態(tài)

可以看出，綜放開采后頂板覆巖破壞形態(tài)呈兩邊高中間低類似“馬鞍形”，靠近2巷處測(cè)孔觀測(cè)高度要高于工作面中間測(cè)孔，由于工作面開采邊界煤柱支撐作用，導(dǎo)致兩巷處覆巖裂縫不易壓實(shí)閉合，工作面中間部位由于地表沉陷發(fā)育充分，將基巖中的采動(dòng)裂縫壓縮，靠近基巖上部呈現(xiàn)整體下沉，一定程度上抑制了導(dǎo)水裂縫帶高度向上擴(kuò)展。

4 結(jié) 論

(1)通過建立地表移動(dòng)觀測(cè)站，對(duì)厚黃土層下綜采放頂煤開采引起的地表移動(dòng)特征進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析研究了地表移動(dòng)特征。研究表明：黃土區(qū)綜放開采地表移動(dòng)劇烈、沉陷變形集中、地表最大下沉速度大、地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間縮短、地表采動(dòng)影響范圍向外擴(kuò)展較遠(yuǎn)等特點(diǎn)，并反演出了地表沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)。

(2)覆巖探測(cè)成果揭示，厚煤層綜放高強(qiáng)度開采條件下覆巖破壞相對(duì)劇烈，導(dǎo)水裂縫帶高度發(fā)育充分，裂高與采厚基本成正比例關(guān)系，覆巖破壞形態(tài)類似馬鞍形，裂縫區(qū)內(nèi)巖層裂縫多以高角度裂縫為主。

(3)本研究成果對(duì)于類似條件工作面開采建構(gòu)筑物沉陷變形預(yù)計(jì)和損害防治，以及水體下采煤和頂板水害防治具有指導(dǎo)意義。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Field Measurement on Ground Subsidence and Overburden Failure by High Intensity Fully Mechanized Top-coal Caving Under Thick Loess

Zhu Wei Teng Yonghai Zheng Zhigang

(1.TangshanResearchInstitute，ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroup，Tangshan063012，China)

In order to study the law of ground subsidence and overburden failure induced by fully mechanized top coal caving under thick loess，the measurement of surface subsidence and deformation and the height of overburden failure are detected through the establishment of ground observation stations and hydro-geological drilling exploration in surface.A great number of field data from ground observation stations and hydro-geological drilling exploration are collected.It is shown that ground subsidence under fully-mechanized caving of thick loess moved intensively with steep subsidence curve.The converge of subsidence and deformation curve at the edge of basis grows slowly.Maximum subsidence velocity is higher，and mining influence scope is much too far away.The detection of overlying rocks damage indicates that the overburden failure is developed abnormally in mining with fully-mechanized top-coal caving system，and the height of the water conducted zone is directly proportional to the total mining thickness.The ratio of the fracture height and the mining thickness is obtained to be 19.75 at average.The research can provide technical support for controlling surface mining damage and roof water inrush in coal mining under water in loess region.

Fully mechanized top-coal caving，Ground subsidence，Overburden failure，Prevention and treatment

2015-02-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51074089，51474129)。

朱 偉(1984—)，男，助理研究員，碩士研究生。

TD325

A

1001-1250(2015)-04-123-04