高強度開采地表移動變形規(guī)律研究
——以曹家灘礦為例

＊王路 楊維弘 李錦明 陳飛 包函 蔣超

（1.陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司 陜西 719000 2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）國家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心 北京 100083）

煤炭作為我國的主體能源物質(zhì)煤炭，其為我國經(jīng)濟高速發(fā)展起到了重要的作用，但是煤炭企業(yè)在追求高強度回采的同時也給脆弱的生態(tài)環(huán)境帶來了不可逆轉(zhuǎn)的災(zāi)害問題，例如地表塌陷[1-3]。國內(nèi)科研學(xué)者自20世紀60年代開始對礦區(qū)開采引起的地表沉陷問題進行了大量的研究，特別是東部礦區(qū)，獲得了優(yōu)秀的成果[4-7]。目前，科研工作者已經(jīng)對該地區(qū)的地表移動變形規(guī)律進行了大量研究，也取得了許多可喜的成果。湯伏全[8]建立了西部黃土層礦區(qū)開采沉陷預(yù)計模型，分析總結(jié)了西部黃土礦區(qū)開采沉陷中的土巖耦合效應(yīng)；陳永新[9]結(jié)合數(shù)值模擬軟件分析了重復(fù)采動條件下巖層與地表移動變形機理；鄭志剛[10]分析了厚松散層下一次采全高工作面開采后地表移動變形規(guī)律，得出了預(yù)計參數(shù)和各種角值。

針對西部地區(qū)特別是地處生態(tài)脆弱區(qū)的榆神礦區(qū)，覆巖運動出現(xiàn)了各種差異性特征問題。本文以榆神礦區(qū)曹家灘礦井首采工作面為例，探討我國西部高強度煤炭礦區(qū)開采沉陷影響規(guī)律，以期對該地區(qū)其他礦井開展地表巖移規(guī)律的研究具有重要的借鑒意義。

1.工程概況

曹家灘礦井地表地貌以新月型沙丘地貌為主，大部分區(qū)域風(fēng)積沙層所覆蓋，地表分布有部分植被。工作面煤層開采煤層為2-2煤，位于延安組第四段頂部，工作面傾向長度為350m，推進長度約為6.2km；煤層平均埋深為281m；平均傾角3°左右；煤層平均厚度為11.2m，采用分層大采高綜采工藝，上分層采高平均為7.0m。工作面回采導(dǎo)致了地面沉陷，對房屋、供水井造成了一定影響。

2.觀測站設(shè)計與觀測

(1)地表移動觀測線設(shè)計

本文為研究高強度工作面開采后地表的移動變形規(guī)律，在122106工作面沿走向和傾向各布置了一條觀測線，各測線長度設(shè)計如下：

①走向觀測線沿采空區(qū)中線布置，測線長度按照式（1）計算：

式中：H0—回采工作面的開采深度，取330m；δ—走向移動角，取63°；h—土層厚度，一般為140m；△δ—走向移動角的修正值，一般取20°；φ—松散層移動角，取45°。

根據(jù)地表移動觀測站設(shè)計原則，走向觀測線的長度應(yīng)足夠控制沉降區(qū)的移動特征，依據(jù)公式（1）計算得出，LZ應(yīng)不小于687.5m。

②傾向觀測線垂直于走向觀測線布置，傾斜觀測線距開采工作面開切眼距離D1、距工作面停采線的距離D3必須滿足式（2）：

由計算可知，測線到開切眼的距離應(yīng)大于343.7m。傾向線的長度按照公式（3）計算。根據(jù)觀測要求可知，傾向線應(yīng)必須控制整個盆地，且也能確保觀測線的兩端不受開采影響，其長度由計算可知應(yīng)不小于1047.5m。

(2)觀測點的埋設(shè)

根據(jù)曹家灘煤礦首采122106工作面的鉆孔資料可知，122106工作面的煤層平均深度為340m，本次觀測點的點間距選取距離為25m。根據(jù)2.1節(jié)中移動觀測線設(shè)計，傾向線的長度選擇為1047.5m，切眼距離D1取418.7m，傾向線上共布置43個測點，編號為A1～A43；走向線長度依據(jù)設(shè)計確定為687.5m，共布置測點29個，編號為Z1～Z29；兩條測線的控制點分別設(shè)置在測線兩端。

3.地表移動變形參數(shù)及規(guī)律實測研究

(1)地表下沉規(guī)律分析

根據(jù)測量要求，本次觀測工作歷時12個月，觀測次數(shù)為26次。各期的實測數(shù)據(jù)如下圖1和圖2所示。

圖1 傾向觀測線（A線）動態(tài)下沉圖

圖2 走向觀測線（Z線）動態(tài)下沉曲線圖

根據(jù)圖1所示的傾向觀測線動態(tài)下沉圖可知，隨著工作面的不斷向前推進，傾向線上各測點的下沉值呈逐步增大趨勢。當(dāng)進行第2期觀測時，測線中部A21附近的測點開始有微動，地表開始下沉進入起動期。當(dāng)觀測進行到第4期時，累積下沉值為1.05m，較前三期增大約1m，進入到地表下沉活躍期。在第5期的觀測中，地表的累積最大下沉已達到3.05m，較第3期的下沉值增大了約2m。當(dāng)進行第6期觀測時，測線中部最大的下沉值達到3.302m，較第4期增加了約0.3m。通過對比得出，地表沉降的活躍期已經(jīng)結(jié)束，開始進入地表移動的衰退期。從第6期開始至觀測結(jié)束，下沉值基本維持在3.350m，最大下沉點發(fā)生在A21測點。地面沉降主要集中在采空區(qū)范圍，但影響范圍延伸至采空區(qū)兩邊75m。

根據(jù)圖2所示的走向觀測線（Z線）動態(tài)下沉曲線圖的變化趨勢可知，當(dāng)工作面推進至91m時（第3期）測點開始變化，主要沉降范圍在Z16～Z21測點之間，下沉值維持在0.1m左右。下沉盆地范圍隨著工作面的推進不斷擴大，最終呈現(xiàn)出半無限盆地形態(tài)。當(dāng)?shù)乇硪苿舆M入到衰退期時，地表最大下沉發(fā)生在Z19測點，最大下沉值為4.173m。

綜合上述走向與傾向的觀測線變化規(guī)律可以得到，巖層下沉主要分為起動期-活躍期-衰退期三個階段，其中起動期與活躍期的持續(xù)時間基本相同，均為2個檢測間期長，之后為較長時間的衰退期。說明巖層的下沉運動的產(chǎn)生與形成都較為迅速，當(dāng)巖層下沉達到極限后，基本維持穩(wěn)定。

(2)地表移動變形參數(shù)

結(jié)合2.1中的理論預(yù)測公式，確定了曹家灘煤礦2-2煤層開采地表巖層移動參數(shù)。

①綜合開采邊界角（β0、γ0、δ0為下山、上山和走向方向的邊界角）：0δ=52°，β0=γ0=45°；綜合移動角（β、γ、δ為下山、上山和走向方向的移動角）：δ=80°，β=γ=77°；綜合裂縫角（β"、γ"和δ"為下山、上山和走向方向的裂縫角）：δ"=84°，β"=γ"=90°。

②充分采動角ψ=40.2°；超前影響角w=70.2°；最大下沉速度滯后角F=66.8°。

③運用了概率積分法對半無限開采時地表移動盆地主斷面上的移動進行了變形預(yù)計，給出了適合概率積分法的預(yù)計參數(shù)：平均下沉系數(shù)=0.537；主要影響角正切值tan=4.435；水平移動系數(shù)b=0.20；拐點偏移距=76.90m=0.22H；開采影響傳播角θ=86.2°。通過理論預(yù)計公式對實測的地表下沉曲線進行了擬合，根據(jù)實測的數(shù)據(jù)確定的概率積分法參數(shù)滿足礦區(qū)地質(zhì)采礦條件下要求。

4.地表移動變形參數(shù)及規(guī)律數(shù)值模擬研究

(1)模型的設(shè)計和建立

根據(jù)曹家灘煤礦首采工作面布置的補59號鉆孔數(shù)據(jù)，參考表1中巖石力學(xué)參數(shù)，建立長1000m，高286m的走向模型，觀測工作面走向巖層位移變化規(guī)律，每次開挖1個周期來壓，共開挖12次，模型左側(cè)設(shè)置50m的邊界煤柱。建立長650m，高286m的傾向模型，觀測工作面傾向巖層位移規(guī)律，一次開挖工作面寬度350m，模型左側(cè)、右側(cè)各設(shè)置150m的邊界煤柱。兩模型開挖2-2煤，工作面采高7m，模型左右邊界采用水平約束條件，模型下邊界為固定邊界。

兩個模型各設(shè)置7條測線，測線A、B、C、D、E、F、G分別觀測直接頂、基本頂、關(guān)鍵層、觀測巖層和土層分界面、紅土層、黃土層和地表的位移變化規(guī)律。

(2)模擬結(jié)果分析

本文選取了開采過程中初次來壓和工作面開挖800m后，覆巖垮落和測線下沉曲線圖如圖3和圖4所示。

圖3 初次來壓覆巖垮落及測線下沉曲線

由圖3可知，初次來壓直接頂垮落明顯，基本頂有下沉，下沉不明顯，其余巖層沒有明顯下沉，測線A最大下沉量為5.96m，下沉量最大值出現(xiàn)在回采后采空區(qū)中部位置。

由圖4可知，當(dāng)工作面開挖至800m時，覆巖破壞基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，各測線呈現(xiàn)出下沉盆地的形態(tài)。測線A、B、C、G最大的下沉值分別為6.75m、6.15m、5.75m和4.21m。因此，在回采穩(wěn)定后可知表明地表下沉在第七次來壓后就趨于穩(wěn)定，最大下沉量為4.21m。

圖4 工作面開挖800m覆巖垮落及測線下沉曲線

通過數(shù)值模擬分析可知，地表沉降量及下沉區(qū)域約為煤層直接頂?shù)?/3。說明該地質(zhì)條件下采動覆巖縱向方向上溝通性較強，直接頂?shù)倪\動下沉?xí)^為直接的溝通地表造成地表移動下沉現(xiàn)象。

5.結(jié)論

（1）對曹家灘煤礦首采工作面進行了地表移動觀測設(shè)計。通過數(shù)據(jù)分析得到：巖層下沉主要分為起動期-活躍期-衰退期三個階段，其中起動期與活躍期時間較短均為2個間期，巖層下沉主要在活躍期內(nèi)完全形成；之后為長時間的衰退期，下沉幅度達到極限，巖層沉降基本維持穩(wěn)定。

（2）通過觀測數(shù)據(jù)的分析，得到了適合概率積分法應(yīng)用的各項預(yù)計參數(shù)：平均下沉系數(shù)為0.537；主要影響角正切值tan=4.435；水平移動系數(shù)b=0.20；拐點偏移距為76.90m；開采影響傳播角θ=86.2°。

（3）采用UDEC模擬軟件模擬了煤層開采時地表巖層移動過程。發(fā)現(xiàn)采動覆巖縱向方向上溝通性較強，直接頂垮落會直接溝通地表造成地表沉降，地表沉降量及下沉區(qū)域約為煤層直接頂?shù)?/3，走向、傾向方向地表的最大下沉量分別為4.21m、3.36m，與實測數(shù)據(jù)4.173m、3.350m擬合度為99.7%，證明模擬過程及結(jié)果符合實際。