賈新果

(1 煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院,北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)；3 北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013)

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大采深非充分開(kāi)采地表沉陷規(guī)律實(shí)測(cè)分析

賈新果1,2,3

(1 煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院,北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)；3 北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京 100013)

[摘要]通過(guò)在平頂山礦區(qū)某礦建立地表移動(dòng)觀測(cè)站，獲得了非充分開(kāi)采條件下的地表移動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)該條件下的地表沉陷規(guī)律進(jìn)行了分析,獲得了該條件下的地表移動(dòng)角量參數(shù)和地表移動(dòng)計(jì)算參數(shù)。研究結(jié)果表明：非充分開(kāi)采條件下地表沉陷影響范圍和沉陷變形值均明顯減小，巖層移動(dòng)各角量參數(shù)大于充分開(kāi)采條件下的角量參數(shù)，地表沉陷變形趨于平緩。研究結(jié)果可用于指導(dǎo)非充分開(kāi)采在類(lèi)似地質(zhì)采礦條件下的煤礦開(kāi)采，為解放“三下”壓煤提供了依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]非充分開(kāi)采；地表沉陷；角量參數(shù)；地表移動(dòng)計(jì)算參數(shù)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.015

[引用格式]賈新果.大采深非充分開(kāi)采地表沉陷規(guī)律實(shí)測(cè)分析[J].煤礦開(kāi)采，2015，20(5)：53-56.

隨著采深增加，地表移動(dòng)影響范圍增大，地表移動(dòng)盆地變得平緩，各項(xiàng)變形值減小[1]。工作面尺寸的大小可影響地表移動(dòng)盆地特征，一般用充分采動(dòng)程度，即寬深比D/H0來(lái)表示。我國(guó)大量實(shí)測(cè)資料表明[2-7]：D/H0<1.2～1.4時(shí)，地表為非充分采動(dòng)?，F(xiàn)有觀測(cè)資料表明[8]，在厚松散層條件下，采用基巖厚度作為衡量采動(dòng)程度的標(biāo)準(zhǔn)更符合實(shí)際。與充分開(kāi)采相比，非充分開(kāi)采地表移動(dòng)和變形規(guī)律發(fā)生了很大變化[9-11]，采動(dòng)程度(采動(dòng)系數(shù))對(duì)地表的下沉起關(guān)鍵控制作用。本文根據(jù)平頂山礦區(qū)某礦22071地表移動(dòng)觀測(cè)站實(shí)測(cè)資料，分析了非充分開(kāi)采地表沉陷特征。

1觀測(cè)站概況

1.1　工作面概況

平頂山礦區(qū)某礦22071工作面為該礦東翼采區(qū)己組煤的第一個(gè)綜采工作面。工作面走向長(zhǎng)1760m，工作面斜長(zhǎng)176m，煤層傾角21°，煤層傾向30°，煤厚7.4m，采高3.6m，采深717～780m。上覆巖層屬中硬巖層，其中松散層厚約35m，細(xì)中粒砂巖233.54m；其下為泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、煤層等巖層。直接頂為1.7m厚頁(yè)巖，基本頂為9.0m厚細(xì)砂巖。傾斜方向采動(dòng)系數(shù)n1=0.20，為傾向非充分采動(dòng)。

22071工作面位于二水平己二采區(qū)東翼，西起東翼軌道下山，東止于井田邊界保護(hù)煤柱線(xiàn)，南為已回采結(jié)束的采空區(qū)(1995—1996年炮采)，北為原生煤體。對(duì)應(yīng)地表為農(nóng)田，地勢(shì)北高南低。開(kāi)采時(shí)間為2005年12月至2007年12月，推進(jìn)速度約61m/月，走向長(zhǎng)壁開(kāi)采，全陷法管理頂板。

1.2　觀測(cè)站布置

該觀測(cè)站測(cè)線(xiàn)總長(zhǎng)2205m，共布置控制點(diǎn)3個(gè)，工作測(cè)點(diǎn)73個(gè)(圖1)。沿工作面走向布置一條走向觀測(cè)線(xiàn)，測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)1470m，工作測(cè)點(diǎn)48個(gè)，測(cè)點(diǎn)間距30m；在工作面西側(cè)設(shè)半條(下山)傾斜觀測(cè)線(xiàn)，測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)735m，25個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距30m。

圖1　22071觀測(cè)站布置

1.3　觀測(cè)站觀測(cè)

觀測(cè)時(shí)間為2005年11月至2008年8月，歷時(shí)34個(gè)月，共觀測(cè)了35次。觀測(cè)頻率視地表下沉速度大小而定。

在連測(cè)后、地表開(kāi)始移動(dòng)之前，獨(dú)立進(jìn)行兩次全面觀測(cè)，兩次觀測(cè)間隔1d，取兩次測(cè)量數(shù)據(jù)均值作為各工作測(cè)點(diǎn)基準(zhǔn)值。地表移動(dòng)初始期為判定地表是否開(kāi)始移動(dòng)，在預(yù)計(jì)可能首先移動(dòng)區(qū)域，選擇幾個(gè)工作測(cè)點(diǎn)，每隔10～20d進(jìn)行1次水準(zhǔn)測(cè)

量，發(fā)現(xiàn)測(cè)點(diǎn)有下沉趨勢(shì)時(shí)，說(shuō)明地表已開(kāi)始移動(dòng)。該段觀測(cè)從2005年11月至2006年3月，共觀測(cè)了7次。在地表移動(dòng)進(jìn)入活躍期后，重復(fù)進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量，觀測(cè)頻率為每隔30d觀測(cè)1次，該階段觀測(cè)從2006年3月至2008年1月，共觀測(cè)了23次。地表移動(dòng)進(jìn)入衰退期后，觀測(cè)頻率為每隔2～3個(gè)月觀測(cè)1次，該階段觀測(cè)從2008年1月至2008年8月，共觀測(cè)了3次。

首次與末次進(jìn)行全面觀測(cè)，同時(shí)測(cè)量下沉及邊長(zhǎng)，其余監(jiān)測(cè)只進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量。首末次全面觀測(cè)作業(yè)采用三等水準(zhǔn)測(cè)量、日常觀測(cè)作業(yè)用四等水準(zhǔn)測(cè)量，嚴(yán)格按三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范進(jìn)行作業(yè)。平面控制采用1954年北京坐標(biāo)系，利用GPS進(jìn)行聯(lián)測(cè)，聯(lián)測(cè)精度按《煤礦測(cè)量規(guī)程》中地面控制測(cè)量一級(jí)導(dǎo)線(xiàn)要求施測(cè)。觀測(cè)期間，測(cè)線(xiàn)上測(cè)點(diǎn)缺失比較嚴(yán)重，走向觀測(cè)線(xiàn)缺失22個(gè)測(cè)點(diǎn)，傾向觀測(cè)線(xiàn)缺失6個(gè)測(cè)點(diǎn)，但觀測(cè)數(shù)據(jù)能基本反映出22071工作面地表沉陷狀況。表1為觀測(cè)線(xiàn)上地表最大移動(dòng)與變形值，圖2、圖3分別為傾向觀測(cè)線(xiàn)和走向觀測(cè)線(xiàn)的部分實(shí)測(cè)下沉曲線(xiàn)。

表1　觀測(cè)線(xiàn)上地表最大移動(dòng)與變形值

圖2　傾向觀測(cè)線(xiàn)部分實(shí)測(cè)下沉曲線(xiàn)

圖3　走向觀測(cè)線(xiàn)部分實(shí)測(cè)下沉曲線(xiàn)

2觀測(cè)成果分析

在進(jìn)行觀測(cè)成果分析前，對(duì)野外觀測(cè)成果再次檢查，剔除個(gè)別觀測(cè)誤差大的或觀測(cè)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。根據(jù)每次觀測(cè)成果計(jì)算得到的地表移動(dòng)和變形值，繪制出各種地表移動(dòng)和變形曲線(xiàn)圖，求取地表沉陷角量參數(shù)，并進(jìn)行地表移動(dòng)計(jì)算實(shí)測(cè)參數(shù)求取，總結(jié)移動(dòng)變形分布規(guī)律等。

2.1　角量參數(shù)

一般用邊界角、移動(dòng)角、裂縫角等角量參數(shù)圈定移動(dòng)盆地邊界，這些角量參數(shù)是在充分采動(dòng)或接近充分采動(dòng)的條件下求得的，它們反映了地下開(kāi)采對(duì)地表移動(dòng)的影響程度、大小、范圍。為便于與充分開(kāi)采條件下的地表沉陷規(guī)律進(jìn)行對(duì)比，求取22071觀測(cè)站角量參數(shù)時(shí)，仍參照了充分開(kāi)采條件下角量參數(shù)的求取方法[12]。

根據(jù)實(shí)測(cè)下沉和水平移動(dòng)數(shù)據(jù)及觀測(cè)站擬合結(jié)果求得的觀測(cè)站角量參數(shù)見(jiàn)表2。

由于22071工作面為非充分開(kāi)采，地表移動(dòng)變形實(shí)測(cè)值除傾向觀測(cè)線(xiàn)上的最大傾斜值超過(guò)了3mm/m外，水平變形值和曲率均較小，未達(dá)到臨界變形值，因此，只求取了下山移動(dòng)角。上山邊界角采用傾向觀測(cè)線(xiàn)上山方向的擬合下沉值求取，走向邊界角采用走向觀測(cè)線(xiàn)上擬合的下沉值求取。同時(shí)表2還列出了平頂山礦區(qū)地表移動(dòng)實(shí)測(cè)角量參數(shù)。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，充分開(kāi)采條件下，下山邊界角48°，上山邊界角60°，走向邊界角54°，下山移動(dòng)角56°。處于傾向非充分開(kāi)采條件下的22071觀測(cè)站巖層移動(dòng)各實(shí)測(cè)角量參數(shù)大于充分開(kāi)采條件下的角量參數(shù)值10°左右。

表2　平頂山礦區(qū)[12]與22071觀測(cè)站巖層移動(dòng)角量參數(shù)對(duì)比

注：*為根據(jù)擬合數(shù)據(jù)求??；α為煤層傾角。

結(jié)果表明，非充分開(kāi)采條件下地表沉陷影響范圍明顯減小；地表危險(xiǎn)移動(dòng)范圍也顯著縮小，地表沉陷變形則趨于平緩。非充分開(kāi)采條件下的地表沉陷變形特征對(duì)地表建構(gòu)筑物的保護(hù)是十分有利的。

2.2　地表移動(dòng)計(jì)算參數(shù)

地表移動(dòng)計(jì)算參數(shù)主要有下沉系數(shù)q、水平移動(dòng)系數(shù)b、開(kāi)采影響傳播角θ、主要影響角正切tanβ和拐點(diǎn)偏移距S(S左，S右，S上，S下)等。

根據(jù)觀測(cè)站測(cè)得的水平移動(dòng)值和下沉值，采用基于最大-最小蟻群算法的概率積分法計(jì)算模型，對(duì)傾向觀測(cè)線(xiàn)和走向觀測(cè)線(xiàn)數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了求參(該求參方法已另文討論，可參考文獻(xiàn)[13]，在此不再贅述)，結(jié)果見(jiàn)表3，表3中的采動(dòng)系數(shù) n1=K1·D1/H，其中D1為工作面沿傾向?qū)嶋H長(zhǎng)度；H為基巖平均厚度；中硬巖層時(shí)，取K1=0.8。擬合結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。傾向觀測(cè)線(xiàn)擬合中誤差M=51mm，相對(duì)中誤差(相對(duì)于實(shí)測(cè)最大下沉值)為6.1%；走向觀測(cè)線(xiàn)擬合中誤差M=23mm，相對(duì)中誤差(相對(duì)于實(shí)測(cè)最大下沉值)為5.3%。

在充分開(kāi)采條件下，平頂山礦區(qū)下沉系數(shù)q=0.80～0.91，水平移動(dòng)系數(shù)b=0.28～0.36，主要影響角正切tanβ=1.50～1.71，拐點(diǎn)偏移距S大多為負(fù)值，偏向煤柱一側(cè)。傾向非充分開(kāi)采條件下，22071觀測(cè)站實(shí)測(cè)地表移動(dòng)計(jì)算參數(shù)如下：下沉系數(shù)q=0.57，水平移動(dòng)系數(shù)b=0.26，主要影響角正切tanβ下山=2.11，tanβ走向=1.63，拐點(diǎn)偏移距S=-23.0～7.0。非充分開(kāi)采條件下，下沉系數(shù)僅為充分開(kāi)采條件下的65%左右，水平移動(dòng)系數(shù)b減小了0.07；在非充分開(kāi)采方向上主要影響角正切值增大約0.6，拐點(diǎn)偏移距S則無(wú)顯著變化，地表沉陷移動(dòng)變形趨于平緩。

表3　平頂山礦區(qū)部分觀測(cè)站[12]與22071觀測(cè)站地表移動(dòng)計(jì)算參數(shù)對(duì)比

圖4　傾向觀測(cè)線(xiàn)下沉擬合曲線(xiàn)

圖5　走向觀測(cè)線(xiàn)下沉擬合曲線(xiàn)

非充分開(kāi)采條件下的地表移動(dòng)角量參數(shù)和計(jì)算參數(shù)較充分采動(dòng)情況下有很大不同。究其原因，主要是由于非充分開(kāi)采時(shí)，其上覆巖層破壞具有懸臂梁、垮落拱等特征，覆巖移動(dòng)和變形破壞以巖梁彎曲和煤柱壓縮為主，具有整體壓縮、均勻移動(dòng)和變形的特點(diǎn)。地表移動(dòng)盆地中的地表傾斜值、曲率值和水平變形值相對(duì)變小，地表移動(dòng)盆地上下沉10mm的點(diǎn)(即最外邊界點(diǎn))和危險(xiǎn)移動(dòng)邊界的臨界變形值如傾斜3mm/m，曲率0.2×10-3/m和水平變形2mm/m的點(diǎn)(即危險(xiǎn)移動(dòng)邊界點(diǎn))相對(duì)內(nèi)移。因此，用這些特征點(diǎn)求取的邊界角和移動(dòng)角等角值參數(shù)增大，求取的地表移動(dòng)計(jì)算參數(shù)亦相應(yīng)增大或減小。這對(duì)建構(gòu)筑物的保護(hù)是十分有利的，在利用非充分開(kāi)采地表移動(dòng)規(guī)律時(shí)，必須充分利用該特點(diǎn)。

22071工作面南側(cè)存在1995—1996年間回采結(jié)束的采空區(qū)，該采空區(qū)距22071工作面回采已過(guò)去了10a的時(shí)間，采空區(qū)圍巖內(nèi)原始應(yīng)力平衡狀態(tài)經(jīng)受了平衡→破壞→重新分布→新平衡的過(guò)程，地表已處于沉陷穩(wěn)定階段；22071觀測(cè)站初期觀測(cè)數(shù)據(jù)也說(shuō)明了這一點(diǎn)。但隨著22071工作面的回采，采空區(qū)圍巖應(yīng)力暫時(shí)形成的平衡狀態(tài)被重新打破，再一次經(jīng)歷了平衡→破壞→重新分布→新平衡的過(guò)程，受采空區(qū)“活化”影響，傾向觀測(cè)線(xiàn)上山一側(cè)觀測(cè)到的下沉值明顯增大，擬合值與實(shí)測(cè)值相差了142mm，受采空區(qū)“活化”影響，引起的地表殘余沉陷變形量不容忽視。

3結(jié)論

(1)根據(jù)平頂山礦區(qū)某礦22071觀測(cè)站實(shí)測(cè)資料及其分析表明，非充分開(kāi)采條件下地表沉陷影響范圍和地表危險(xiǎn)移動(dòng)范圍都顯著縮小。

(2)非充分開(kāi)采時(shí)，地表移動(dòng)變形值減小，移動(dòng)角增大或者不存在；地表沉陷影響范圍減小。因此，在利用《規(guī)程》[12]推薦的邊界角和移動(dòng)角進(jìn)行非充分開(kāi)采條件下的沉陷變形計(jì)算時(shí)，需增大邊界角和移動(dòng)角值。

(3)利用《規(guī)程》[12]推薦的地表移動(dòng)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行非充分開(kāi)采地表沉陷計(jì)算時(shí)，需對(duì)下沉系數(shù)、水平變形系數(shù)和主要影響角正切加以修正，具體做法為：減小下沉系數(shù)和水平變形系數(shù)，增大主要影響角正切值。

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[責(zé)任編輯：施紅霞]

Observation and Analysis of Surface Subsidence Rule of Large-mining-depth Non-full Mining

JIA Xin-guo1,2,3

(1. Safety Branch，Coal Science & Technology Research Institute Co.，Ltd.,Beijing 100013，China； 2.State Key Laboratory of Coal Resource High-efficiency Mining & Clean Utilization，Beijing 100013，China; 3.Beijing Municipal Coalmine Safety Engineering Technology Research Center，Beijing 100013，China)

Abstract：By setting up surface movement observation station in a coalmine of Pingdingshan mining field，surface movement rule of non-full mining was analyzed. Surface movement angle parameters and calculation parameters were obtained. Results showed that surface subsidence influence range and deformation value reduced largely，angle parameters of strata movement was larger than those of full mining and surface subsidence and deformation tended to be gentle. The results could be used to instruct non-full mining under similar condition and provide reference for mining under buildings，railways and water-bodies.

Keywords：non-full mining；surface subsidence；angle parameters；surface movement calculation parameter

[作者簡(jiǎn)介]賈新果(1980-)，男，河北邢臺(tái)人，碩士，從事開(kāi)采沉陷損害與綜合防治技術(shù)研究工作。

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51404139)

[收稿日期]2015-03-06

[中圖分類(lèi)號(hào)]TD325.2

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1006-6225(2015)05-0053-04