浅埋深厚基岩薄松散层开采地表岩移特征研究

王金东，教福强，李俊超，张 涛，王 瑞

(1．榆林学院 能源工程学院，陕西 榆林 719000; 2.神木县嘉元煤业集团有限责任公司，陕西 榆林 719000)

我国是世界上煤炭生产和消费大国，煤炭资源在我国一次能源消耗中占比60%左右。地下煤炭资源的采出会破坏上覆岩层平衡，产生移动变形和破坏，一直向上发育直至地表，在地表形成下沉和破坏。部分学者通过实地调查，结合实测数据对矿区采煤损害进行了分析研究，得出结论:在风积沙地区，高强度采煤产生的地裂缝比较密集，对该区地裂缝的发育起决定性作用的是开采强度[1-2]。宋选民[3]以神东矿区上湾矿为研究对象，运用大比例相似模拟试验，研究了大采高综采工作面顶板垮落、断裂情况，分析了裂缝带的变化机理。部分学者研究表明[4-6]，高强度开采覆岩破坏更加剧烈，其破坏强度更大，部分矿区的覆岩仅呈现“两带”模式，造成了严重的地表建(构)筑物损坏及水土流失，并引发次生矿山地质灾害，给原本脆弱的矿山生态环境带来了严重的负外部影响。陈凯[7]利用Matlab 与 SPSS 的回归分析方法对东胜矿区内12个工作地表岩移监测成果进行研究，发现下沉系数与采厚和基岩厚度直接相关。王小凤[8]通过地表实测，获得了大采高采煤工作面地表岩移规律。

1 嘉元煤矿12301工作面采矿地质条件

嘉元煤矿位于陕西省榆林市北部的陕西、内蒙古两省区的交界处，榆神煤炭国家规划矿区的东北角。行政区划隶属陕西省神木县中鸡镇管辖。煤炭主要是以公路运输为主，矿区交通比较便利。

12301工作面为北翼1203盘区第一个工作面，地表分布有刘家村，12301工作面开采影响地表的观测区地表标高1 186 m～1 262 m，地表为松散覆盖层，松散层厚度0～5 m。

1-2煤层位于侏罗系中统延安组第五段中上部。该煤层全区可采，煤层厚度3.39～3.61 m，煤层的平均厚度为3.5 m，以中厚煤层为主，煤层倾角0～3°，总体上煤层厚度自南而北逐渐变厚。

工作面地层为一单斜构造，地层沿走向、倾向的产状变化不大，无大的断裂及褶皱发育。地层中无岩浆活动，在巷道掘进过程中未发现断层，构造复杂程度为“简单”类。

2 观测站布设

2.1 布设原则

为了保证测量结果的准确性和对整个矿区具有针对性的数据及资料，在观测方案设计过程需要充分考虑以下因素：观测线必须布置在地表移动盆地的主要影响断面上；控制点不能受本工作面及临近采动的影响，且要埋设牢固；测线的长度要能够控制整个移动盆地的范围；测点间距要符合采深和设站的的要求。

2.2 观测线布设

观测线根据观测目的及地形特征等因素进行选择，通常有网状测线及线状布置，根据嘉元煤矿12301工作面地表特征及观测目的，这里选择线状布置，总共布置两条，一条走向监测线，监测走向半盆地移动变形情况，一条倾向测线，监测倾向方向移动变形情况，测线布置在工作面切眼上方，两条测线采取垂直布置的方式进行设计。

根据12301工作面附近钻孔及有关的地质资料，由于观测范围内地表的松散层厚度较薄，地层基本为水平地层，工作面埋深225～280 m，平均埋深为240 m，松散层厚度0～3 m之间，地层倾角0°～5°，一般3°左右，设计观测站时水平地层进行考虑。根据《煤矿测量手册》要求，开采深度在200～300 m时，测点之间的距离取20 m，控制点之间距离为50 m。

根据相关理论分析计算，其中测线A线长712 m，由35个测量点构成，编号从A1到A35依次进行编号，同时在测线两端各布置两个控制点。A测量线主要测量工作面倾斜方向的移动变形情况，距离工作面切眼距离为206 m。监测线Z线长为569 m，由28个监测点构成，从Z1到Z28号进行编号，在Z线的起始端布置3个控制点，控制点位于工作面外稳定的不受采动影响的区域，另外两条测线的交叉点为Z27和A18，即这两个为重合测点。测线设计如图1所示。由于观测站布线范围较大，地表起伏较大，埋设时可以根据情况调整，以满足观测需要，使得地表观测数据更接近实际沉陷情况。

图1 12301工作面地表观测站布置示意图

3 观测成果分析与研究

3.1 前期准备工作及观测周期

在开始日常观测之前，需要准确掌握控制点及观测点的空间位置，即高程和坐标，从测线最近的大地控制点处将坐标引过来，称为联系测量。在地表受采动影响之前，进行两次独立的全面测量，保证原始测点空间位置的准确性。首先要完成地表所有的控制桩和观测桩的埋设，埋桩后为使其与地表岩土同步沉降，至少要等待15 d，然后进行地表岩移观测控制网、观测线的联系测量工作。从第一次测量开始到最后地表沉降稳定，整个观测周期历时16个月。

3.2 地表移动规律

3.2.1 地表直观变形情况

在地表岩移监测过程中，采空区范围内存在大量裂缝，裂缝主要分布在采空区边界，裂缝走向平行或垂直与工作面推进方向，其中部分裂缝存在轻微台阶下沉。当工作面推进距离约144 m时，地表开始产生下沉，很快地表产生裂缝，随着工作面的不断推进，地表裂缝越来越大，地表周而复始的出现大小、长短不一的裂缝数条，裂缝最大宽度11.2 cm，平均约5 cm；裂缝最大长度为240 m，最小长度45 m，地表的部分裂缝情况如图2所示。

图2 12301工作面开采地表裂缝分布图

3.2.2 启动距及超前影响角

在井下工作面推进一段距离后，工作面上覆岩层垮落、破断逐渐向地表发展，当岩层破坏波及到地表任意一点下沉量达到10 mm时，将工作面开采距离称为启动距。嘉元煤矿在推进144 m后地表开始移动，启动距离为144 m。

通常把工作面开采方向前方地表开始移动变形的位置与工作面正在回采的位置进行连线，这条线和水平线在工作面推进方向一侧的夹角称为超前影响角。嘉元煤矿的超前影响距离为85 m，其超前影响角为71.6°。超前影响角是为了研究工作面开采过程中已经影响到前方地表的距离，进而确定在工作面采动过程中地表动态的影响情况。

3.2.3 边界角及移动角

边界角是用来确定工作面回采过程中下沉的影响范围和影响边界，通常将下沉值为10 mm的位置定为临界边界，根据煤层倾角的不同，倾斜煤层开采后一般会存在走向方向的边界角γ0、下山方向的边界角β0和上山方向的边界角δ0，当开采煤层为水平或者是近水平煤层时，三个方向的边界角认为是相等的。根据现场实测，12301工作面走向临近边界距离为116 m(切眼距临界边界)，走向下沉曲线如图3所示；倾向临近边界距离为143 m，倾向下沉曲线如图4所示。由于嘉元煤矿12301工作主采的1-2煤层属于近水平煤层，综合考虑确定其走向方向和倾向方向的综合边界角为62.5°。

图3 Z线动态下沉曲线图

图4 A线动态下沉曲线图

移动角是当工作面达到了充分采动状态或者是已经接近充分采动状态的情况下，地表形成的移动盆地主断面(最大范围)上的临界变形值所处位置和工作面采空区边界(开切眼或两顺槽)的连线与水平线之间在煤壁一侧的夹角，下山方向、上山方向和走向方向的移动角分别用β、δ、γ进行表示。移动角采用临界变形条件(i=3 mm/m；ε=2 mm/m；K=0.2×10-3/m)求取移动角。现场实测数据如表1所示，故综合移动角选取两者中较小值，即69.9°。12301工作面走向观测线的倾斜变形曲线如图5所示，其走向方向曲率变形曲线如图6所示。

表1 地表走向移动角计算表

图5 走向观测线倾斜变形剖面曲线

图6 走向观测线曲率变形剖面曲线

3.2.4 最大下沉值、下沉系数、下沉速度及特征分析

通常从地表开始移动变形至移动变形结束会经历三个阶段，即开始启动阶段、中间的活跃阶段和最后的衰减阶段，最开始的启动阶段是地表开始移动变形至地表下沉速度达到v≤1.67 mm/d的这一个阶段；而后进入第二个阶段，即活跃阶段，随着地表下沉量与下沉时间的推移，地表移动变形速度会再次减弱；当地表下沉速度再次v≤1.67 mm/d时，这个工作面的地表岩移进入最后的衰退期。嘉元煤矿12301工作面下沉速度与下沉曲线如图7所示，根据实测数据发现在活跃阶段内地表的下沉量占整体下沉量的92.3%，说明12301工作面地表的沉陷主要发生在第二阶段内，而在活跃期内地表的沉速度平均达到9.2 mm/d，表明下沉速度很快。进一步分析发现，在工作面开采过地表点一段距离以后地表下沉速度才能达到最大，这也说明地表下沉的滞后性。

图7 地表观测点Z27(A18)多变量关系线图

嘉元煤矿移动盆地主断面地表点移动的初始阶段持续27 d～31 d；活跃阶段持续142 d～148 d；衰退阶段持续260 d～271 d。地表移动持续的总时间在420 d～450 d。地表点移动的初始阶段的下沉量占总下沉量的0.7%左右；地表点移动的活跃阶段下沉量占总下沉量的98%左右；地表点移动的衰退阶段的下沉量占总下沉量的0.8%左右。地表移动三个阶段持续比例如图8所示。

图8 地表移动变形持续时间比例图

根据现场实测数据分析，嘉元煤矿12301工作面回采稳定后地表的最大下沉值为1 949 mm，下沉系数为0.56。

3.2.5 同类采矿地质条件沉陷特征对比

陈凯[7]对东胜矿区大量的矿井及工作面进行了统计分析，分析各类因素对地表沉陷影响分析。其中布尔台22103-1工作面埋深295 m，采高3.4 m，松散层厚20 m，下沉系数为0.637；万利一矿31305工作面埋深170 m，采高4.9 m，松散层厚10 m，下沉系数0.710。12301工作面下沉系数只有0.55 m，小于同类地质条件下开采后的下沉系数，但沉陷时间要更长。

4 结论

(1)嘉元煤矿地表沉陷破坏的裂缝以平行开采工作面的裂缝为主要特征，裂缝最大宽度11.2 cm，平均约5 cm左右；裂缝最大长度为240 m，最小长度45 m。

(2)获得了嘉元煤矿12301工作面回采后的主要岩移参数：启动距为144 m，超前影响距离为85 m，超前影响角为71.6°，综合边界角为62.5°，综合移动角为69.9°下沉系数为0.55。

(3)地表移动初始阶段、活跃阶段、衰退阶段分别为：31天、148天、271天，地表总移动期为450天；与陕北浅埋深煤层相比，地表移动期较长，地表活跃阶段下沉量占总下沉量的92.3%，地表活跃期平均下沉速度达9.2 mm/d。

(4)嘉元煤矿12301工作面回采沉陷与陕北同类开采条件矿井相比，沉陷周期长，下沉系数小，开采后对地表建(构)筑物的影响周期长。