巨厚松散層下煤層開采地表移動規(guī)律研究

陳才賢，蘇 靜，趙忠義

(六盤水師范學院 礦業(yè)工程系，貴州 六盤水 553004)

巨厚松散層下煤層開采地表移動規(guī)律研究

陳才賢，蘇 靜，趙忠義

(六盤水師范學院 礦業(yè)工程系，貴州 六盤水 553004)

為了研究巨厚松散層下采煤對地表沉陷的影響，以趙家寨煤礦地表移動觀測數(shù)據(jù)為基礎，研究了巨厚松散層地質采礦條件下采煤對地表沉降特征、地表最大下沉速度、地表最大下沉速度滯后距以及地表不同階段移動持續(xù)時間的影響，結果表明在巨厚松散層條件下開采，地表下沉系數(shù)偏大，接近于1，主要影響角正切值偏小，地表移動范圍較大，拐點偏移距較小，地表最大下沉速度滯后距較小，最后得出在巨厚松散層下開采，地表顯現(xiàn)出下沉速度加快，活躍期延長而衰退期縮短，地表殘余變形減小并且穩(wěn)定快等特征。

松散層；地表移動規(guī)律；地表下沉特征；最大下沉速度；地表下沉系數(shù)

關于厚松散層下煤炭開采對地表沉降規(guī)律的影響，國內外許多學者做了大量相關研究[1-9]，其中文獻[1]主要從地表最大下沉速度、地表移動變形持續(xù)時間以及地表最大下沉速度滯后距與滯后角等方面，較詳細地論述了厚松散層下煤層開采對地表動態(tài)移動變形的影響；文獻[2]分析了在厚松散層綜放開采條件下，通過對地表下沉速度的研究，得出該區(qū)域一些地表動態(tài)移動變形的表量參數(shù)；文獻[3]和文獻[4]列舉了幾個與地表下沉速度有關的地質采礦因素，最后得出開采深度與地表下沉速度成反比，回采工作面推進速度與回采區(qū)域內地表最大下沉速度成正比。上述學者雖對厚松散層下煤層開采地表移動規(guī)律進行了研究，并得出了重要的研究成果，但其研究范圍內的松散層厚度多集中在100～200m之間，對類似于趙家寨礦井田松散層厚度平均616m的地質條件的地表移動規(guī)律研究較少。筆者根據(jù)趙家寨礦井田采礦地質條件，通過研究巨厚松散層下開采地表移動規(guī)律，為相似地質采礦條件的井田開采提供理論參考。

1 采礦地質條件及地表觀測站概況

1.1 采礦地質條件

由鉆孔揭示的地質資料可知，趙家寨煤礦井田內由第四系、第三系松散層全覆蓋，松散層平均厚度達616.25m，主采二1煤層，平均煤厚為6.16m，采用分層開采，開采厚度為3.5m，煤層傾角5.5°，煤層直接頂主要以泥巖、砂質泥巖為主，基本頂主要以細～粗粒砂巖為主。為了研究巨厚松散層下工作面回采引起的地表沉降特征，趙家寨礦11011工作面建立地表移動觀測站。11011工作面概況如表1所示，工作面于2010年11月7日開始回采，2012年2月回采結束。

表1 11011工作面概況

1.2 觀測站概況

11011工作面地表移動觀測線位置布置如圖1所示，沿傾向與走向共布置了2條地表移動觀測線，其中觀測線I，II分別含有測點55和48個。

圖1 11011工作面地表移動觀測線位置布置

2 地表各沉降特征參數(shù)研究

2.1 地表下沉特征研究

地表觀測站從2010年10月開始觀測，到2013年12月29日觀測結束，期間共計觀測33次，取得了大量的觀測數(shù)據(jù)。利用投影原理，分別將觀測線I與觀測線II的最終觀測下沉值投影到傾向和走向主斷面上，以概率積分法模型為基礎，采用最小二乘法，通過對走向與傾向主斷面最終下沉值進行擬合，分別得出走向與傾向下沉擬合關系曲線，如圖2所示。

綜合分析11011工作面傾向主斷面和走向主斷面曲線擬合結果，最終獲得趙家寨煤礦概率積分法預計參數(shù)：q=0.9，主要影響角正切tanβ=1.92，拐點偏移距s0=-0.03H0。上述3個主要的概率積分法預計參數(shù)，與一般地質采礦條件下有很大的不同，這恰好體現(xiàn)了在巨厚松散層下開采，地表移動變形所特有的規(guī)律：

圖2 11011工作面走向與傾向最終下沉擬合關系曲線

(1)下沉系數(shù)偏大 趙家寨煤礦11011工作面平均埋深為690m，其中基巖厚度為110m，第三、四系松散層厚度為580m，松散層厚度占總體巖層厚度的84%，為典型的厚松散地質特征。而下沉系數(shù)的大小與覆巖力學性質有密切的關系。分析原因是由于松散層厚度所占比例大，且?guī)r性較軟，一方面，在煤層開采導致的巖層移動過程中，松散層自身不易產生離層裂縫，而是產生了塑性變形，表現(xiàn)為整體下沉的現(xiàn)象；另一方面，由于松散層厚度較大，自重的作用對在巖層移動過程中起控制作用的基巖施加了巨大的壓力，從而在一定程度上縮小了基巖層在移動過程中產生的離層以及由于巖石的破碎產生的碎脹性，從而加大了地表的下沉量。

(2)主要影響角正切值偏小 趙家寨煤礦11011工作面回采結束后根據(jù)實際觀測數(shù)據(jù)擬合出tanβ值偏小，說明在該地質條件下，地表移動范圍較大。分析認為，松散層作為一種介質存在，其物理性質與基巖差異較大，自身具有流變性，而正是這種流變性決定了地表移動范圍的擴大，即主要影響半徑的增大，從而使得tanβ減小，并且這種趨勢隨松散層在覆巖所占比例的增大而增大。

(3)拐點偏移距較小 分析認為，由于厚松散層在重力的作用下形成巨大的載荷施加于基巖之上，將開采邊界附近冒落的頂板壓實，同時懸頂范圍也進一步減小，頂板逐漸失去了懸臂的作用，使得拐點由采空區(qū)向煤壁方向偏移，此時拐點偏移距逐步減小。當拐點偏移至煤壁內側時，拐點偏移距為負值。

2.2 地表最大下沉速度的變化特征研究

通過分析11011工作面最大下沉點的下沉速度曲線(圖3)，得出11011工作面開采后對應的地表最大下沉速度為24.5mm/d，對比于其他采礦地質條件，最大下沉速度較大，分析原因主要是由于采高較大，煤層開采后形成的采空區(qū)空間相應變大，在上覆巖層應力的作用下采空區(qū)上方的巖層發(fā)生垮落、下沉，同時其上覆巨厚松散層整體結構強度弱，幾乎沒有承載能力。在上面兩部分因素的共同作用下造成地表下沉劇烈程度也相應加大。

A—開始階段；B—活躍階段；C—衰退階段；L—最大下沉速度滯后距圖3 最大下沉點的下沉速度曲線

2.3 地表不同階段移動持續(xù)時間分析

地表移動持續(xù)時間是指地表最大下沉點從剛開始移動到移動停止所經(jīng)歷的時間。地表移動的強烈程度由地表下沉速度來反映，通常依據(jù)地表下沉速度對建(構)筑物的影響程度不同，將地表點的移動全過程分為3個階段：開始階段、活躍階段和衰退階段，11011工作面地表各階段移動持續(xù)時間及相關數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 11011工作面地表各階段移動持續(xù)時間及相關數(shù)據(jù)

由表2可知，地表移動變形開始階段持續(xù)時間為68d，其占整個地表移動時間比值為16.3%，而在活躍階段，其持續(xù)時間為206d，其占整個地表移動時間比值達到49.5%，很明顯此階段地表移動變形程度比較大。分析認為，這與該地區(qū)的特殊地質條件有關，上述兩個階段由于基巖比較薄，松散層結構強度小，因此地表移動對采動空間尺寸的大小就會比較敏感且劇烈；而在衰退階段，其持續(xù)時間為142d，其占整個地表移動時間比值為34.2%。衰退階段持續(xù)時間主要與松散層內結構有關，尤其是當松散層內有隔水層存在的情況下，松散層內的孔隙水消散較慢，受采動影響持續(xù)時間延長[10]。

2.4 最大下沉速度滯后距分析

最大下沉速度滯后現(xiàn)象指的是在地表下沉速度曲線上，地表最大下沉速度點的位置總是落后于工作面一定距離的現(xiàn)象，并且將這段距離稱為最大下沉速度滯后距，如圖3中的L所示，地表最大下沉速度滯后角指的是回采工作面與地表最大下沉速度點之間的連線和煤層在采空區(qū)一側的夾角，常用φ表示，表達公式如下：

φ=arccotL/Ho

(1)

式中，φ為最大下沉速度滯后角，(°)；L為滯后距，m；Ho為平均采深，m。

由圖3可知，在傾向方向上當?shù)乇磉_到最大下沉速度時，此時11011工作面最大下沉速度滯后距為171m，將L=171m，Ho=690m帶入式(1)得到φ=69°。由此可以看出，在巨厚松散層條件下，同其他采礦地質條件相比，最大下沉速度滯后距較小，最大下沉速度滯后角較大。分析原因，筆者認為在工作面的回采過程中，由于工作面的采高較大，進而形成較大的開采空間，又由于巨厚松散層的影響，使得上覆巖土體整體結構強度較弱，在煤層采出后，煤層頂板的破壞沉降能很快反映到地表。

3 結 論

(1)在巨厚松散層地質條件下回采，地表下沉系數(shù)偏大，接近于1，主要影響角正切值偏小，地表移動范圍較大，拐點偏移距較小，地表最大下沉速度滯后距較小。

(2)通過分析最大下沉點下沉速度與工作面之間關系可知，相較于薄松散層地質條件，地表最大下沉速度達到24.5mm/d，明顯增大，地表最大下沉速度滯后距為171m，相對較小，說明在巨厚松散層下開采，地表移動較為劇烈，頂板下沉傳遞到地表所需時間短。由此可以為相似地質采礦條件下工作面回采過程中地表移動劇烈區(qū)域的確定提供指導。

(3)在巨厚松散層條件下地表移動持續(xù)時間的3個階段中，相較于薄松散層采礦地質條件，地表下沉活躍階段時間達到206d，相對延長；而衰退期時間卻為142d，相對縮短，說明松散層厚度增加，地表移動變形程度增大，而地表殘余變形減小并且穩(wěn)定快。

[1]徐乃忠，戴華陽.厚松散層條件下開采沉陷規(guī)律及控制研究現(xiàn)狀[J]. 煤礦安全，2008，39(11)：53-55.

[2]陳祥恩.厚松散層薄基巖下開采地表移動特征[J].煤炭工程，2001(8)：11-13.

[3]陳良松，汪青松，楊永國.巨厚松散層條件下地表移動變形特征[J].煤礦安全，2011，42(8)：168-170.

[4]沈丁一，楊偉峰，趙國榮，等.厚松散層薄基巖煤層開采粘土層的保護作用分析[J].煤炭技術，2010，29(11)：43-45.

[5]閻躍觀，戴華陽，Alex Hay-Man Ng.DInSAR動態(tài)下沉監(jiān)測特征點錯失問題研究[J].煤炭學報，2012，37(12)：2038-2042.

[6]陳志輝，程曉輝.飽和土體固結壓縮和蠕變的熱力學本構理論及模型分析[J].巖土工程學報，2014，36(3)：489-498.

[7]李春意，崔希民，郭增長，等.大采深厚松散層開采地表沉陷特征[J].煤炭工程，2008(12)：94-97.

[8]朱廣軼，沈紅霞，王立國.地表動態(tài)移動變形預測函數(shù)研究[J].巖石力學與工程學報，2011，30(9)：1889-1895.

[9]馮月新，胡青峰，鄧緒彪，等.多工作面開采地表沉陷動態(tài)預測系統(tǒng)研究[J].煤礦安全，2013，44(5)：72-75.

[10]隋旺華，狄乾生.開采沉陷土體變形與孔隙水壓相互作用研究進展[J].工程地質學報，1999(4)：303-309.

[11]李建力.大采高工作面回采對地表沉降變形影響測定與研究[J].煤礦支護，2012(3)：33-37，8.

[12]蘇仲杰，郭 偉，關月潔.礦山沿陷區(qū)新建建筑物可行性分析[J].中國地質災害與防治學報，2008，19(1)：54-58.

[責任編輯：徐乃忠]

Study of Surface Movement Principle of Coal Seam Mining under Super Thick Unconsolidated Stratum

CHEN Cai-xian，SU Jing，ZHAO Zhong-yi

(Department of Mine Engineering，Liupanshui Teachers College，Liupanshui 553004，China)

In order to study influence that mining under super thick unconsolidated stratum to surface subsidence，it taking surface movement observation data of Zhaojiazhai coal mine as base，the influence that mining to surface subsidence characters，the maximal subsidence speed of surface ，delay distance of the maximal subsidence speed of surface and surface movement time in different stage under super thick unconsolidated stratum geological mining situation，the results showed that mining under super thick unconsolidated stratum，surface subsidence index was larger，it almost equal to one，the tangent value was smaller of the main influence angle，surface movement scope larger，offset distance of inflection point was smaller，delay distance of the maximal surface subsidence speed was smaller，then the following conclusions obtained，mining under super thick unconsolidated，surface subsidence speed accelerate，active period prolonged and recession period shorten，residual deformation of surface became smaller and stable quickly，and so on.

unconsolidated stratum；surface movement principle；surface subsidence characters；the maximal subsidence speed；surface subsidence index

2016-10-17

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.018

貴州省教育廳自然科學研究項目(黔教合KY字[2014]283號)；采礦工程省級特色重點學科(黔學位合字ZDXK[2015]9號)

陳才賢(1983-)，男，湖南郴州人，碩士，副教授，從事煤礦開采技術及巖石力學方面研究。

陳才賢，蘇 靜，趙忠義.巨厚松散層下煤層開采地表移動規(guī)律研究[J].煤礦開采，2017，22(3)：59-61，77.

TD325

A

1006-6225(2017)03-0059-03