大采深综放开采地表移动变形规律

余学义 王昭舜 杨云

摘 要：為研究在大采深综放工作面开采条件下地表移动变形规律，以陈家沟煤矿八采区8512，8513综放工作面地表移动观测数据为基础，分析在大采深综放工作面条件下开采一个工作面与开采两个工作面后的地表移动变形规律。另外，运用概率积分法建立模型，根据观测数据进行反演模拟修正预计参数，得出在该条件下的概率积分预计参数，并总结充分采动条件下地表移动变形规律。结果表明：在大采深综放开采条件下，开采一个工作面时，地表属于极不充分采动，大采深极不充分采动地表移动变形一般较小，地表损害一般在Ⅰ级以内，开采后地表建筑物能够安全使用;开采两个工作面后，地表属非充分采动，地表水平移动范围较常规开采条件下范围要大，且水平移动范围一般比下沉范围大;预计在第四个工作面开采后地表达到充分采动。非充分采动条件下，下沉盆地呈非对称分布，最大下沉点不在采空区中心上方;在达到充分采动条件时，最大下沉值处于采空区中心上方，从盆地中心至边缘下沉值逐渐减小趋于0;拐点处的水平变形值与曲率值均为0.反演得出大采深综放工作面地表移动预计参数及地表移动角量参数，预计地表达到稳态时，地表最大下沉量为5 003 mm.此成果能够为该矿“三下开采”评价提供理论依据。

关键词：矿业工程;开采沉陷;非充分采动;概率积分法;地表移动变形;反演模拟

中图分类号：TD 325   文献标志码：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0401   文章编号：1672-9315（2019）04-0555-09

Abstract：In order to study the law of surface movement and deformation under the condition of fullymechanized topcoal caving face with large mining depth，this paper analyzed the surface movment and deformation with one working face and two working faces mined under the condition of fullymechanized topcoal caving face with large mining depth based on the observation data of surface movement of 8512 and 8513 fullymechanized caving face in No.8 mining area of Chenjiagou coal mine.The probabilistic integral method was used to establish the model，predicted parameters were modified by inversion simulation based on the observed data，the predicted parameters of probability integral under this condition were obtained，and the law of surface movement and deformation under full mining condition was summarized.The results show that under the conditions of large mining depth and fully mechanized caving mining，the surface is extremely inadequately mined when mining a working face.Ground surface movement and deformation are generally small due to inadequate mining depth，and surface damage is generally less than grade I.After mining，surface buildings can be used safely.After mining two working faces，the surface is inadequately mined.The range of horizontal movement of surface water is larger than that under conventional mining conditions，and the range of horizontal movement is generally larger than that of subsidence.It is expected that the surface will be fully mined after mining the fourth working face.Under the condition of insufficient mining，the subsidence basin is asymmetrically distributed，the maximum subsidence point is not above the center of the goaf.When the full mining condition is reached，the maximum subsidence value is above the center of the goaf，and the subsidence value from the center of the basin to the edge gradually decreases to zero.The values of horizontal deformation and curvature are both 0 at the inflection point.Inversion results show that the ground surface movement prediction parameters and surface movement angular parameters of the large mining depth fully mechanized caving face are expected to be 5 003 mm when the surface is expected to reach to the steady state.This achievement can provide a theoretical basis for the evaluation of “threeunder” mining techniques.

Key words：mining engineering;mining subsidence;inadequate mining;probabilistic integration method;surface movement and deformation;inversion simulation

0 引 言

随着我国对煤炭资源的大规模开发和利用，煤炭这种不可再生能源在逐步减少，开发深部煤炭资源就应运而生。近年来，随着煤矿机械化程度的不断完善，大多数煤矿已采用大采深综放开采的生产方式。大采深条件下综放工作面开采地表移动变形规律的研究就显得尤为重要。

国内外大量学者从事地表沉陷以及地表移动变形规律的研究，成果丰富。19世纪初相关学者通过对列日城开采沉陷的调查提出早期的“垂线理论”假设[1-3]。波兰学者Litwiniszyn在砂箱模型试验研究的基础上，提出了五大公理，并推证下沉服从查普曼-柯尔莫哥罗夫方程[4-5]。郭增长等提出极不充分采动条件下的概率密度函数法[6]。余学义等利用计算机快速计算，将开采损害预计模型引入计算机，建立了YLH-8计算程序[7-10]。韩亚鹏等通过建立的坐标-时间预计函数准确地描述开采过程中任意时间点的地表整体移动变形[11]。李春意等研究得出下沉速度的反弹可以作为冲击地压危险的预报信息，巨厚砾岩层的运动是发生矿震的主要力源之一[12]。郝延锦等应用弹性板理论，建立了开采沉陷中全断面大采深地表预测基本模型[13]。汤铸等发现厚松散层下综放开采时，地表将较长时间处于移动剧烈期且地表稳定期较长[14]。袁越等表示地表最大变形随着采深的增加线性减少，而随着采高的增大线性增加;地表下沉系数与采深呈线性递减的关系，而与采高呈非线性衰减的关系[15]。田华等得到在大采深条件下随着工作面的开采沉降速度增大，开采宽度超过岩层极限跨距，造成关键层断裂，对上层覆岩减沉效果减弱[16]。杨俊鹏研究得出在特厚松散层大采深综放条件下地表移动规律的主要特征为：地表移动盆地范围大，比薄松散层开采条件下主要影响正切角小;但地表起动距偏小，移动周期短，活跃期短[17]。孙传平等研究得出大采深、厚冲积层的开采条件下，地表移动变形较小，地表下沉盆地平缓，不易达到充分采动[18]。来兴平等在研究由浅转深综放开采中提出，地表变形特征主要表现为地面塌陷坑形成、地面大尺度裂隙扩展及塌陷坑坡面滑移坍塌[19]。刘义新等研究得出厚松散层大采深下开采，单工作面采煤地表采动程度较一般开采条件下高，更易接近或达到充分采动[20]。伍永平等研究在深部高应力松软岩层稳定性中提出在大采深条件下，改善围岩应力环境，控制岩层可提高深部开采的安全性、高效性[21]。

一般情况下，地表移动变形经历极不充分采动到非充分采动再到充分采动3个阶段，会逐步引起采空区上覆岩层产生移动、变形、离层、断裂等特征，造成地表下沉，导致不同程度的地表沉陷损害[22]。陈家沟煤矿不仅具有采高大，埋深厚等特点，而且在工作面开采范围内有村庄群落。文中针对该矿开采现状，通过对已开采8512与8513综放工作面地表观测数据的分析，进行反演模拟修正预计参数，得出在该地质条件下大采深综放开采的概率积分预计参数，研究充分采动条件下地表移动变形规律。形成预计评价体系如图1所示，为该矿后续安全开采提供科学依据，为类似采矿地质条件下的地表建筑物保护提供参考。

1 地表移动变形观测

1.1 开采区概况

1.2 地表移动变形观测站概况

8512工作面与8513工作面均采用剖面线状分段观测站，分别布置2条观测线，主要位于停采线一侧的川地区域，如图2所示。观测线Z和zx是沿工作面走向的主观测线，避开山区复杂地貌，只覆盖了川地区域;观测线Q和qx是沿倾向方向。

观测工作分为首次观测、开采过程中全面观测、巡视观测和末次觀测。全面观测是观测工作的核心，是充分了解各观测点移动变形情况的依据，也是获取地表移动变形规律的重要数据来源，除首次观测与末次观测外，在采动过程中进行了全面观测，每个月观测3次，移动活跃期内每月进行一次水准测量，本站的全面观测采用全站仪和水准仪结合进行。

8512工作面走向观测线共计53个工作测点，点号分别为Z1～Z53，倾向观测线共计35个工作测点，点号分别是Q1～Q35;8513工作面走向观测线共计118个工作测点，点号分别为zx1～zx118，倾向观测线共计40个工作测点，点号分别是qx1～qx40.

1.3 地表移动观测成果分析

8512工作面走向开采长度2 235 m，在走向属于超充分采动，观测站自2013年11月至2015年11月观测结束共计观测15次。8513工作面走向累计推进1 710 m，也属超充分采动，从2016年5月16日开始，截止到2018年2月13日，累计观测23次。现对2个工作面的观测数据进行分析，如图3，图4所示。

8512工作面倾向开采宽度120 m，开采宽深比小于1/4，属于极不充分采动，根据多次观测数据，绘制倾向观测点下沉曲线如图3（a）所示，未出现下沉盆地，测点Q19对应最大下沉点。

根据观测数据，绘制8512工作面走向观测点下沉曲线图如图3（b）所示，基本符合充分采动规律。Z1～Z13位于村庄正下方，工作面采取限高开采方式，效果明显，大部分区域最终稳定下沉值未超过0.6 m.自工作面离开村庄进入正常开采，随着采厚增加，走向出现下沉盆地，下沉盆地稳定在1 m左右，随着工作面推进，下沉盆地也随之扩大。走向Z16号为最大下沉点，累计下沉值为1.168 m，此后地面出现明显下沉，与此同时工作面已推过倾向观测线，在其后3个月下沉最为明显，每月下沉量均超过0.15 m，如图3（c）所示，正处于下沉活跃期。

根据8513工作面观测数据，绘制观测点下沉曲线图如图4（a）、（b）所示。走向基本符合充分采动规律，而倾向累计工作面宽度为240 m，属于非充分采动。根据观测显示，走向测点zx76处达到最大下沉2.126 m，且走向测点下沉速度如图4（c）可知，最快下沉速度达到33 mm/d，也说明此时下沉地表正处于活跃期。

通过以上观测数据分析，可以看出在8512首采工作面开采后，下沉变化过程呈规律性增大且下沉量均不大。根据8513工作面观测结果发现，在qx24点、qx27点处下沉发生突变，而这正处在8512的采空区上覆，说明8513开采对8512采空区产生扰动，导致8512上覆岩层发生活化，造成下沉量增加。在地表发育过程中由于采深较大，当回采结束后，采空区内围岩应力处于新的平衡，达到稳定阶段，当再次开采扰动范围内的工作面时会打破这种应力平衡，已达到平衡的采空区会被活化，从而导致二次沉降，这与观测数据吻合，故而在大采深开采过程中，地表达到稳态的周期会较长。

由此得出：8512开采后由于是单一工作面开采，此时地表处于极不充分采动，受覆岩关键层保护，地表下沉量较小，下沉不明显，沉降影响范围也较小。在8513开采后，地表下沉逐渐增大，且部分区域产生扰动，此时地表处于非充分采动。故地表由极不充分采动向非充分采动发育时，下沉会有突变，且逐渐增加。下沉盆地呈非对称分布，最大下沉点不在采空区中心。随着工作面推进，下沉盆地也随之扩大。

8513工作面停采后，地表下沉速度相比以前有所减小，但是依旧在持续下沉，且该地表活跃期还未完全结束，故而得出全盆地地表移动变形规律与达到充分采动时该地表移动变形规律就显得尤为重要。

2 地表移动变形参数分析

2.1 岩移参数

地表岩移参数是指地表受采动影响后，由地表移动盆地主断面上求得的各种参数值，主要用地表移动变形参数及角量参数表示。其中边界角反映了地表移动盆地的最大范围，移动角反映了地表移动盆地内对建筑物产生影响的最大范围。因此岩移参数对矿山组织开采以及留设保安煤柱等，具有十分重要的意义。

根据2017年国家煤炭工业局颁发的“三下”采煤规范[23]，在地表达到充分采动或接近充分采动条件下，利用地表移动盆地的主断面上实测下沉曲线求得地表移动角量参数。

由于本采区松散层较薄，只有2.7 m，按岩层直接出露地表计算。根据下沉值ω0=10 mm，确定8512下沉盆地边界点为Q3，Q33，Z46;8513工作面下沉盆地边界点为zx7，zx100，根据移动角的判定，以地表建筑物产生Ⅰ级损害为界，即水平变形为2.0 mm/m，或倾斜为3.0 mm/m，或曲率为0.2×10-3 mm/m-2.确定8512移动盆地边界点为Q5，Q29，Z43;確定8513移动盆地边界点为zx9，zx93.详见表1.

3 地表移动变形预计参数修正

3.1 计算机反演模拟

由于观测受到时间等因素的影响，且下沉随时间变化逐渐稳定，达到稳态地表需5 a以上。陈家沟煤矿在8512工作面开采后地表呈现极不充分采动变形规律，在8513工作面开采后呈现非充分采动变形规律，为了得出在相似地质条件下达到充分采动的地表移动变形规律，现根据实测数据结合概率积分理论与计算机反演模拟[25-28]，分别得出极不充分采动概率积分预计参数和非充分采动或近充分采动概率积分预计参数，计算机反演模拟得出的地表移动角量参数见表3，概率积分预计参数见表4.

根据式（1），当y≥r，或y=l/2时地表下沉量最大，故而l≥2r.且tanβ=2.42，r=208.3，即l≥416.6 m时，达到充分采动。因此当开采8511工作面时，属非充分采动，且接近充分采动，直到4个工作面全部开采后才能完全达到充分采动。这里用下沉率来反映实时下沉状态，下沉率指开采过程中下沉值与开采厚度的比值。反演模拟得出：当开采一个工作面时，下沉率为0.105，下沉系数为0.15;当达到2个工作面时下沉率为0.214，下沉系数为0.375.地表处于极不充分采动时，下沉系数为充分采动的30%，非充分采动时，下沉系数为充分采动条件下的60%;在大采深综放开采条件下，达到充分采动时的地表移动角量参数均小于地表移动实测角量参数。表明在达到充分采动时地表沉陷影响范围增大，地表移动变形增大。

反演模拟与实测下沉拟合剖面图如图5所示，理论计算的下沉曲线与现场实测的下沉曲线基本吻合，使用方差分析法，得到最小方差，且下沉值接近地表最大下沉值。表明该预计方法可行，参数修正合理，计算结果可信。可以进行全盆地开采预计。

3.2 模拟预计软件动态预计

现已计算并得出动态预计参数，将动态预计参数通过概率积分法代入计算并使用YLH-12模拟预计软件进行预计。该预计软件自研发至今已在诸多工程项目中应用成功，预计方法科学，实践成果丰富。

通过预计计算，在地表达到充分采动时，全盆地地表移动变形极值见表5，并使用科技绘图软件surfer与预计软件对接绘制出全盆地地表移动变形等高线如图6所示。预计达到充分采动时地表最大下沉值为5 003 mm，最大水平变形值为-158 mm/m，最大水平移动值为1 599 mm，倾斜变形极值为21.97 mm/m，曲率极值为-0.217 mm/m2，全盆地开采后，受到采动扰动，地表下沉值会略有增加。

由预计结果可知，随着工作面推进，地表下沉逐渐达到稳态时，最大下沉值处于采空区中央上方如图6所示，从盆地中心至盆地边缘下沉值逐渐减小趋于0;拐点位于采空区边界一侧，拐点处的水平变形值与曲率值均为0;在拐点两侧的水平移动值对称分布。地表由非充分采动向充分采动发育时，地表移动变形值均逐渐增大。地表移动变形将在Ⅳ级以上损害范围。

4 结 论

1）结合计算机反演模拟，求出大采深综放开采条件下在极不充分采动时下沉系数η=0.15;非充分采动时，下沉系数η=0.375，tanβ=2.42，b=0.3，与实测数据基本吻合;反演模拟充分采动时地表移动角量参数均小于实测角量参数，地表沉陷影响范围增大，地表移动变形增大。

2）由地表观测得出：8512开采后地表处于极不充分采动，8513开采后地表处于非充分采动。地表由极不充分采动向非充分采动发育时，8512采空区活化，产生二次沉降，下沉会有突变，且逐渐增加。非充分采动情况下，下沉盆地呈非对称分布，最大下沉点不在采空区中心上方，且随着工作面的推进，下沉盆地也随着扩大。

3）以陈家沟煤矿开采为背景，大采深综放开采地表移动变形规律如下：开采一个工作面时，地表处于极不充分采动，大采深极不充分采动地表移动变形一般较小，地表损害一般在Ⅰ级以内，开采后地表建筑物能够安全使用;开采两个工作面时，地表处于非充分采动，地表水平移动范围较常规开采条件下范围要大，且水平移动范围一般比下沉范围大;预计在第四个工作面开采后地表达到充分采动;地表处于极不充分采动时，下沉系数为充分采动的30%，非充分采动时，下沉系数为充分采动条件下的60%;地表达到充分采动时，最大下沉值处于采空区中央上方，从盆地中心至边缘下沉值逐渐减小趋近于0;拐点处的水平变形值与曲率值均为0;预计地表达到稳态时，最大下沉量为5 003 mm，地表移动变形也将达到Ⅳ损害以上。

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