戴華陽,田秀國(guó),,趙勝利

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京),北京 100083;2.開灤集團(tuán)有限責(zé)任公司,河北唐山 063018)

馬家溝礦急傾斜煤層開采地表移動(dòng)規(guī)律分析

戴華陽1,田秀國(guó)1,2,趙勝利2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京),北京 100083;2.開灤集團(tuán)有限責(zé)任公司,河北唐山 063018)

根據(jù)唐山馬家溝礦多年積累的實(shí)測(cè)資料,對(duì)馬家溝礦急傾斜煤層開采的地表移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了總結(jié),揭示了急傾斜煤層開采條件下地表沉陷在空間上的分區(qū)沉陷特點(diǎn)。

急傾斜;地表移動(dòng)與變形;分區(qū)沉陷

馬家溝礦開辦于 1908年,是一座具有百年開采史的老礦,井田范圍內(nèi)村莊、城鎮(zhèn)較多,造成深部大量煤炭被村鎮(zhèn)滯壓。據(jù) 2008年底的統(tǒng)計(jì),全礦“三下”壓煤總量為 35.06Mt,壓煤量占全礦井可采儲(chǔ)量 40.91Mt的 85.7%,非“三下”壓煤可采儲(chǔ)量?jī)H為 5.85Mt,只占 14.3%。“三下”壓煤開采已成了馬家溝礦生存與發(fā)展的首要技術(shù)難題。

為掌握該礦具體地質(zhì)采礦條件下的地表移動(dòng)變形規(guī)律,解決“三下”采煤等問題,馬家溝礦開展了地表移動(dòng)變形觀測(cè)研究,自 1995年起在井田內(nèi)地表設(shè)置了地表移動(dòng)觀測(cè)站,獲得大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料。通過分析研究,初步掌握了該地質(zhì)采礦條件下的地表移動(dòng)變形規(guī)律和特點(diǎn),為礦井“三下”采煤提供了可靠的依據(jù)。

1 地質(zhì)采礦條件

1.1 地質(zhì)條件

馬家溝礦為急傾斜礦井,井田內(nèi)地層傾角五水平 (-325.0m)以上基本小于45°,為傾斜區(qū),五水平以下為急傾斜區(qū),傾角在 45°以上,且從東向西有逐漸增大的趨勢(shì),部分地段有地層倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。該礦屬古生界石炭、二迭系煤田,井內(nèi)主要開采煤層為二迭系 9-2煤和石炭系 12煤,兩層煤相距近30m,9-2煤層為全區(qū)穩(wěn)定可采復(fù)雜結(jié)構(gòu)的厚煤層,煤厚 1.7～6m,一般為 4.3m,直接頂為中粒砂巖,巖層厚度 1.3～2.5m,平均 2.0m,基本頂為中粒砂巖,巖層厚度 2～6m,平均 4m,直接底為黏土巖,巖層厚度 0.6～2.0m,平均 1.3m;12煤為全區(qū)穩(wěn)定的厚煤層,一般厚度 7m,直接頂為粉砂巖或泥巖,巖層厚度 0.5～2.5m,平均 1.5m,基本頂為細(xì)砂巖,巖層厚度 4～5m,平均 4.5m,直接底為中細(xì)粒砂巖,厚度 2～5m,平均 4 m。上覆基巖主要以砂巖、礫巖和泥巖為主,巖性中硬,第四系沖積層厚度不定,一般為 0～36m,由土、砂、砂質(zhì)黏土、黏土、砂及卵石、流砂、礫石組成。井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,

斷層發(fā)育,該區(qū)域主要受 F2斷層的影響,F2斷層為井田范圍內(nèi)落差最大的斷層。

1.2 采礦條件

現(xiàn)階段,馬家溝礦九水平以上已全部采完,現(xiàn)正回采十水平,且集中于 5,7,8,10等 4個(gè)石門間。受地面建筑 (村莊)壓煤影響,十水平以下不能進(jìn)行開采,十水平西翼 1石門至 4道半石門為開平鎮(zhèn)壓煤,5石門東部分壓煤,9,10,11石門為耿家營(yíng)、國(guó)各莊壓煤。地面標(biāo)高 +32.2m,九水平標(biāo)高為 -700m,十水平標(biāo)高為 -800m,每個(gè)水平又按垂高分為 3個(gè)面,每面垂高 30m左右,走向長(zhǎng) 100～220m。礦井采煤方法主要為落垛式炮采,全部冒落法控制頂板。

2 觀測(cè)站情況

馬家溝礦于 1995年 3月在井田西翼半壁店地表設(shè)置了地表移動(dòng)觀測(cè)站,觀測(cè)站包括 1條傾向觀測(cè)線和 3條走向觀測(cè)線。傾向線設(shè)置測(cè)點(diǎn) 40個(gè),分別為 R1～R7,1～33。3條走向線稱為西線 (W線)、氧氣廠線和東線 (E線),點(diǎn)編號(hào)分別為W1～W14,y1～y5,E1～E12。馬家溝礦半壁店觀測(cè)站平面布置見圖1。

圖1 馬家溝礦半壁店觀測(cè)站平面布置

根據(jù) 1995年 7月～2000年 3月觀測(cè)期間的巖移資料,繪制了半壁店觀測(cè)站傾向線的地表下沉與水平移動(dòng)實(shí)測(cè)曲線圖 (圖 2、圖 3)。在這期間,傾向觀測(cè)線水準(zhǔn)觀測(cè)共觀測(cè)了 35次,水平移動(dòng)觀測(cè)共觀測(cè)了 26次 (集中于 1995年 7月～1998年 2月)。這個(gè)時(shí)間段內(nèi)馬家溝礦主要是開采九水平及部分十水平 (-600～-700m),九水平西翼分為5個(gè)石門,開采時(shí)間分別為:6石門 1994年～1996年,7石門 1997年～2003年,8石門 2001年～2002年,9石門 1997年～1999年,10石門 1998年～1999年;十水平西翼開采 2個(gè)石門,開采時(shí)間分別為:7石門 2003年～2008年;8石門 2003年～2008年。九水平西翼布置 20個(gè)工作面,十水平西翼布置 12個(gè)工作面,西翼 5石門以西累計(jì)采出空間 7028727m3,采出煤量 7.872Mt。

3 地表移動(dòng)規(guī)律分析

由于本觀測(cè)站受多工作面重復(fù)采動(dòng)影響,觀測(cè)成果并不能與每個(gè)工作面開采時(shí)間和開采水平一一對(duì)應(yīng),但從總體來看,馬家溝礦急傾斜煤層開采的地表移動(dòng)呈現(xiàn)如下規(guī)律:

圖 2 半壁店觀測(cè)站傾向線地表下沉實(shí)測(cè)曲線

(1)急傾斜煤層深部開采最大下沉值小 (相對(duì)于煤層采厚和開采垂高) 從傾向觀測(cè)線上地表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來看,半壁店觀測(cè)站傾向線上 1995年7月～2000年 3月,觀測(cè)到的最大下沉值為621mm (33號(hào)測(cè)點(diǎn))。由于采動(dòng)影響周期長(zhǎng),部分測(cè)點(diǎn)缺失,觀測(cè)工作也存在斷續(xù)問題,而且在觀測(cè)的走向方向上煤層采厚的變化較大,因此,在傾向觀測(cè)線上測(cè)得的最大下沉值要小于實(shí)際的地表最大值。此最大下沉值相對(duì)于煤層采厚 (9煤 4m,12煤 6m)和九水平開采垂高 90m而言,比起緩傾斜煤層開采、或急傾斜煤層淺部開采,其單位采厚和單位階段垂高的沉陷率顯然很小。

圖 3 半壁店觀測(cè)站傾向線地表水平移動(dòng)實(shí)測(cè)曲線

(2)急傾斜煤層深部開采邊界角小,地表沉陷范圍大 從地表沉降范圍來看,半壁店觀測(cè)站傾向線 1995年 7月～2000年 3月,1號(hào)測(cè)點(diǎn)的下沉值為 10mm,以此作為移動(dòng)邊界點(diǎn),其到當(dāng)時(shí)的開采下邊界的平距為 1250m,下邊界采深 680m,可求得此處頂板邊界角β0=28.5°。這說明急傾斜煤層開采邊界角小,總體上巖層移動(dòng)傳播平緩,深部開采地表影響范圍大。

(3)急傾斜煤層開采地表移動(dòng)呈現(xiàn)明顯的分區(qū)沉陷特點(diǎn) 從半壁店觀測(cè)站傾向線 1995年 7月至 2000年 3月實(shí)測(cè)下沉值可以看出,地表 (主要指煤層頂板一側(cè))下沉分布按數(shù)量大小具有分區(qū)變化的特點(diǎn):

測(cè)點(diǎn) R5～6號(hào)點(diǎn)之間 300m范圍內(nèi),區(qū)內(nèi)最大下沉只有 50mm,一般為 10～30mm,區(qū)內(nèi)下沉平均變化率為 0.067mm/m。該區(qū)域下沉量很小,變化幅度很小,稱為“輕微沉降區(qū)”。

6號(hào)～11號(hào)測(cè)點(diǎn) 150m范圍內(nèi)下沉量為 50～200mm,區(qū)內(nèi)下沉平均變化率為 1.0mm/m。該區(qū)域下沉量較小,但變化幅度很大,稱之為“下沉增長(zhǎng)區(qū)”。

12號(hào)～26號(hào)測(cè)點(diǎn) 480m范圍內(nèi)下沉量為 250～330mm,區(qū)內(nèi)下沉平均變化率為 0.167mm/m。該區(qū)域下沉量最大,但變化幅度較小,表現(xiàn)為整體同步下沉的特點(diǎn),稱之為“整體沉降區(qū)”。

沉降分區(qū)性表現(xiàn)為 3個(gè)方面:區(qū)內(nèi)沉降幅度接近;區(qū)內(nèi)沉降幅度變化具有共性;各分區(qū)之間沉降量變化不連續(xù)。半壁店觀測(cè)站傾向線 1995年 7月至 2000年 3月實(shí)測(cè)下沉分區(qū)特性見表 1。

表 1 半壁店觀測(cè)站傾向線實(shí)測(cè)下沉分區(qū)特性(1995.7～2000.3)

由表 1可以看出,各分區(qū)之間地表下沉量相差很大,但同一下沉區(qū)內(nèi)特別是輕微沉降區(qū)和整體沉降區(qū)內(nèi)下沉差較小,變形較小。分區(qū)內(nèi)下沉變化率表明,輕微沉降區(qū)的下沉變化最小,整體沉降區(qū)次之,下沉增長(zhǎng)區(qū)最大;輕微沉降區(qū)為下沉增長(zhǎng)區(qū)的1/15,整體沉降區(qū)為下沉增長(zhǎng)區(qū)的 1/6。

這種分區(qū)變化形式是馬家溝礦急傾斜煤層開采引起的地表沉陷的最顯著特點(diǎn),它決定地面建筑物的采動(dòng)影響程度和方式,對(duì)于建筑物保護(hù),總體而言,這種特點(diǎn)既有利又有弊。掌握其特點(diǎn)是為了因勢(shì)利導(dǎo),避害就利,最大限度地解放壓煤。

(4)在一定的開采垂高內(nèi),開采影響程度隨著開采強(qiáng)度的加大而不斷增大,而采動(dòng)影響范圍并不顯著擴(kuò)大 從不同時(shí)期地表移動(dòng)的觀測(cè)結(jié)果可看出,隨著開采深度和開采垂高的增加,沉陷量不斷增大,但沉陷范圍并不顯著擴(kuò)大。這表明地表沉陷的分區(qū)格局一旦形成,便對(duì)整個(gè)采動(dòng)影響區(qū)地表的移動(dòng)和變形起到控制作用,無論是地表移動(dòng)的時(shí)間過程還是向下延伸階段的空間開采過程,都不易改變此種移動(dòng)變形的分布特點(diǎn)。這一特點(diǎn)說明,急傾斜煤層開采地表變形既具有分布上的集中性,又具有沉陷時(shí)間過程上的穩(wěn)定性,也就是損害位置集中且損壞范圍不易擴(kuò)展。這對(duì)于大范圍建筑群的保護(hù)也是有利的。

4 結(jié) 論

(1)急傾斜煤層深部開采,地表沉陷范圍偏大,最大下沉值相對(duì)于煤層采厚和開采垂高偏小。

(2)在一定的開采垂高內(nèi),開采影響程度隨著開采強(qiáng)度的加大而不斷增大,而采動(dòng)影響范圍并不顯著擴(kuò)大。

(3)急傾斜煤層開采地表移動(dòng)呈現(xiàn)明顯的分區(qū)沉陷特點(diǎn),依據(jù)地表沉陷量及其平均變化率,可將沉陷區(qū)分為輕微沉降、下沉增長(zhǎng)和整體沉降區(qū)。

(4)急傾斜煤層開采地表沉陷的分區(qū)特點(diǎn),表明急傾斜煤層開采地表損害位置容易集中但范圍不易擴(kuò)展,對(duì)大范圍建筑群的保護(hù)是有利的,可因勢(shì)利導(dǎo),避害就利,最大限度解放建筑物下壓煤。

[1]李棲鳳.急傾斜煤層開采 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社, 1984.

[2]戴華陽,王金莊.急傾斜煤層開采沉陷 [M].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社,2005.

[3]劉天泉,陳樹田,陳學(xué)涵.水體下開采急傾斜煤層的初步研究 [J].煤炭學(xué)報(bào),1995,2(3):1-14.

[4]陶連金,王泳嘉.大傾角煤層采場(chǎng)上覆巖層的運(yùn)動(dòng)與破壞[J].煤炭學(xué)報(bào),1996(6):582-585.

[5]戴華陽,王金莊,張俊英.急傾斜煤層開采地表非連續(xù)變形相似模型實(shí)驗(yàn)研究 [J].湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2000,15(3).

[6]謝玉祥.急傾斜煤層地表出現(xiàn)塌陷坑的規(guī)律探討 [J].礦山測(cè)量,2003(1):59-60.

[責(zé)任編輯:徐乃忠]

Rules of SurfaceM ovement Induced byM in ing Steeply Inclined Coal Seam in Majiagou Colliery

DA IHua-yang1,TIAN Xiu-guo1,2,ZHAO Sheng-li2

(1.China University ofMining&Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.Kailuan Group Co.,Ltd,Tangshan 063018,China)

According to long-ter m observation data ofMajiagou Colliery in Tangshan,this paper concluded surface subsidence rules of mining steeply inclined coal seam and obtained subarea subsidence characteristic of surface subsidence in space under steeply inclined coal seam mining condition.

steeply inclined;surface movement and deformation;subarea subsidence

TD325.4

A

1006-6225(2010)05-0048-03

2010-06-09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (50974122)

戴華陽 (1964-),男,湖南湘陰人,教授,博士生導(dǎo)師,從事開采沉陷與“三下”采煤、變形監(jiān)測(cè)方面的教學(xué)與研究。