鄭志剛 戴華陽(yáng)

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；2.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山，063012)

厚黃土區(qū)大采高一次采全高地表移動(dòng)變形規(guī)律

鄭志剛1,2戴華陽(yáng)1

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；2.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山，063012)

厚松散層下大采高一次采全高工作面開(kāi)采強(qiáng)度大，回采率高，地表沉陷變形和巖移參數(shù)有其自身特點(diǎn)和規(guī)律。為研究大采高工作面地表移動(dòng)變形規(guī)律，在王莊煤礦8101工作面上方設(shè)置了地表移動(dòng)觀測(cè)站。通過(guò)對(duì)觀測(cè)資料的分析研究，揭示了厚黃土覆蓋區(qū)、厚煤層一次采全高條件下地表沉陷變形特征，獲得了該地質(zhì)采礦條件下地表巖移預(yù)計(jì)參數(shù)和各種角值參數(shù)，分析了地表裂縫的發(fā)育、分布特征、裂縫寬度和深度等規(guī)律。與綜放開(kāi)采條件下的觀測(cè)成果相比，大采高一次采全高工作面地表移動(dòng)變形更加劇烈，沉陷過(guò)程在空間上和時(shí)間上更加集中，對(duì)地面建構(gòu)筑物的影響更為顯著。

厚黃土層 大采高 地表移動(dòng) 巖移參數(shù) 觀測(cè)站

近年來(lái)，大采高一次采全高綜合機(jī)械化采煤法已在神東、晉城、邢臺(tái)、潞安等礦區(qū)大量應(yīng)用，該開(kāi)采工藝具有產(chǎn)量高、回采率高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為我國(guó)厚煤層開(kāi)采的重要方法。然而大采高綜采引起的地表沉陷變形規(guī)律與一般綜放開(kāi)采有較大差異，特別是在厚松散層開(kāi)采條件下，采動(dòng)區(qū)地表的移動(dòng)與變形表現(xiàn)出新的特征[1]。本研究以潞安礦區(qū)王莊煤礦8101工作面地表巖移觀測(cè)站實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)，對(duì)厚黃土層大采高一次采全高開(kāi)采條件下的巖移規(guī)律及特點(diǎn)做了一些探討[2-3]。

1 地質(zhì)采礦條件

8101工作面位于王莊煤礦81采區(qū)中南部，周圍均為未采區(qū)。工作面近走向布置，采寬270 m，推進(jìn)長(zhǎng)度500 m。開(kāi)采二迭系山西組3#煤，開(kāi)采厚度為4.7～7.0 m， 煤層傾角9°左右，采深為350～410 m，平均采深380 m。區(qū)域地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，呈一略向南傾的單斜構(gòu)造，煤層上覆巖層主要有砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖和第四紀(jì)黃土層組成，其中第四紀(jì)表土層厚度達(dá)122.35 m。

工作面自東向西北沿走向推進(jìn)，2013年9月開(kāi)始回采，2013年12月初暫停開(kāi)采(推進(jìn)了230 m)，2014年4月繼續(xù)回采，至2014年10月共推進(jìn)了500 m，平均推進(jìn)速度為1.65 m/d。采煤方法為綜采一次采全高，全部垮落法管理頂板。

2 觀測(cè)站設(shè)計(jì)與觀測(cè)

試驗(yàn)工作面上方地表布設(shè)了1條走向觀測(cè)線和1條傾向觀測(cè)線，觀測(cè)站的布設(shè)情況見(jiàn)圖1。傾向觀測(cè)線布設(shè)工作測(cè)點(diǎn)37個(gè)，南側(cè)布控制點(diǎn)3個(gè)，測(cè)線長(zhǎng)度為864 m。走向線布工作測(cè)點(diǎn)42個(gè)，測(cè)線西側(cè)布控制點(diǎn)3個(gè)，測(cè)線長(zhǎng)度為940 m。工作測(cè)點(diǎn)間距約20 m，控制點(diǎn)間距約45 m。測(cè)點(diǎn)均為現(xiàn)場(chǎng)混凝土灌注。

圖1 觀測(cè)站平面布置

自2013年9月至2014年12月，地表巖移觀測(cè)站共進(jìn)行了5次全面觀測(cè)和13次日常高程觀測(cè)。

3 地表移動(dòng)變形參數(shù)及規(guī)律

3.1 地表下沉形態(tài)

根據(jù)實(shí)測(cè)資料，求取了各次觀測(cè)的移動(dòng)變形值，表1列出了觀測(cè)站最大移動(dòng)變形值，圖2繪制了傾向線和走向線的部分下沉曲線。由實(shí)測(cè)傾向下沉曲線可見(jiàn)，受采動(dòng)影響地表移動(dòng)與變形值逐漸增大，并在2014年11月至12月間下沉值趨于穩(wěn)定；由實(shí)測(cè)走向下沉曲線可見(jiàn)，地表移動(dòng)與變形曲線隨工作面的推進(jìn)向前平移，地表沉降是連續(xù)漸變的[4-6]。

表1 觀測(cè)站最大移動(dòng)變形值

3.2 地表移動(dòng)變形參數(shù)

圖2 下沉曲線

●—2013-10-24；◆—2013-11-05；▲—2013-11-12；■—2013-12-02；□—2014-06-23；△—2014-11-03；○—2014-12-02

(1)巖移角值。巖移角值參數(shù)是劃分地表移動(dòng)盆地邊界、危險(xiǎn)邊界和裂縫邊界的主要依據(jù)，其參數(shù)主要是邊界角、移動(dòng)角、裂縫角和松散層移動(dòng)角[4]。根據(jù)下沉盆地主斷面上移動(dòng)變形值的大小及移動(dòng)特征，求取了上山、走向方向巖層移動(dòng)的邊界角、移動(dòng)角和裂縫角，見(jiàn)表2。

表2 巖移角值

(2)動(dòng)態(tài)巖移參數(shù)。在采動(dòng)過(guò)程中，地表點(diǎn)都會(huì)經(jīng)歷起始、活躍、衰減、終止的過(guò)程，它在時(shí)間上和空間上的變化過(guò)程具有一定的規(guī)律性。根據(jù)觀測(cè)站實(shí)測(cè)資料，繪制了地表下沉速度曲線，見(jiàn)圖3。求取了地表測(cè)點(diǎn)動(dòng)態(tài)變形參數(shù)和移動(dòng)持續(xù)時(shí)間參數(shù)，見(jiàn)表3。

(3)概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)。根據(jù)觀測(cè)站實(shí)測(cè)資料及移動(dòng)變形曲圖，進(jìn)行了概率積分法巖移預(yù)計(jì)參數(shù)求定，巖移預(yù)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表4，圖4為地表下沉曲線擬合效果圖。

4 地表裂縫發(fā)育規(guī)律

地表裂縫分為永久裂縫和動(dòng)態(tài)裂縫2種。永久裂縫位于工作面邊界附近的地表拉伸區(qū),方向大致平行于開(kāi)采邊界,裂縫寬度和落差較大,裂縫寬度20～350 mm，最大臺(tái)階落差260 mm,裂縫隨工作面推進(jìn)不斷向前延伸。動(dòng)態(tài)裂縫出現(xiàn)于工作面前方動(dòng)態(tài)拉伸區(qū)，距離工作面回采線一般在90 m左右，呈弧狀并與回采線大致平行，初始裂縫寬度較小,多為10～30 mm，隨拉伸變形值的增大,裂縫的寬度和深度也逐漸增大，縫寬最大可達(dá)200 mm，常伴有臺(tái)階狀破壞，裂縫從開(kāi)裂到發(fā)育成熟一般需20 d左右，之后再經(jīng)過(guò)40 d左右裂縫閉合消失或殘留裂口、裂痕，塌陷臺(tái)階處，臺(tái)階不能完全消失。

圖3 地表下沉速度曲線

表3 動(dòng)態(tài)變形參數(shù)

表4 概率積分法巖移預(yù)計(jì)參數(shù)

圖4 地表下沉曲線擬合

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)上方地表裂縫的寬度和深度不僅與地表水平變形值的大小密切相關(guān)，而且與裂縫發(fā)育密度有一定的關(guān)系。表現(xiàn)為水平拉伸變形值較大的區(qū)域，地表裂縫更為發(fā)育；水平變形值相同或接近時(shí)，在裂縫密集區(qū)域裂縫寬度、深度往往較小，裂縫稀疏區(qū)域裂縫寬度、深度往往較大。根據(jù)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行回歸分析，建立了相關(guān)關(guān)系式，即

式中,di為地表裂縫寬度，mm；Hli為地表裂縫深度，m；εi為地表裂縫區(qū)水平拉伸變形值，mm/m；li為引起地表裂縫的影響范圍，m。

5 與綜放面的對(duì)比分析

王莊礦曾對(duì)鄰近采區(qū)6206綜放面的開(kāi)采沉陷規(guī)律進(jìn)行了長(zhǎng)期觀測(cè)與研究[8]，該綜放面采深、采厚、松散層厚度等地層條件與本試驗(yàn)面基本相似，具有可對(duì)比性。與綜放面相比，大采高一次采全高工作面的地表移動(dòng)變形具有自身特點(diǎn)：

(1)地表下沉曲線更為陡峭。采空區(qū)正上方下沉量大，下沉曲線拐點(diǎn)附近下沉量變化迅速，移動(dòng)變形值大且分布集中，邊界以外下沉曲線較為平緩，影響范圍相對(duì)較小。

(2)地表下沉系數(shù)偏大，水平移動(dòng)系數(shù)、拐點(diǎn)偏移系數(shù)偏小。上覆巖層連續(xù)下沉、變形，同時(shí)，在厚黃土層的巨大壓力下覆巖之間離層、裂隙更加密實(shí)，因而地表下沉系數(shù)偏大。巖層豎直方向上移動(dòng)變形加快，水平方向上的移動(dòng)變形顯著滯后，致使水平移動(dòng)系數(shù)偏??；綜采一次采全高條件下工作面四周懸頂范圍被縮小，導(dǎo)致偏移距亦偏小。

(3)最大下沉速度滯后角大，地表下沉速度更快。開(kāi)采強(qiáng)度大，頂板卸載速度快，巖層移動(dòng)變形向地表傳遞的速度加快，覆巖塑性變形不發(fā)育，脆性破壞加劇，其移動(dòng)、破壞更為劇烈。

(4)地表移動(dòng)變形在時(shí)間上更為集中。初始期9d，地表下沉量約占總下沉量的1.3%。活躍期更短，為90d左右，但累計(jì)下沉量占總沉降量的比重更大，約為總沉降量的88.4%。

(5)地表裂縫更為發(fā)育。地表裂縫的密度更大，裂縫寬度、深度也更大，臺(tái)階狀破壞更為發(fā)育，臺(tái)階落差更大，最大落差達(dá)260mm。

6 結(jié) 論

本研究結(jié)合觀測(cè)站實(shí)測(cè)資料，分析了厚黃土層下大采高一次采全高條件下地表沉陷變形規(guī)律及特征，獲得了相關(guān)巖移預(yù)計(jì)參數(shù)和角值參數(shù)，揭示了地表裂縫發(fā)育規(guī)律，與綜放開(kāi)采條件下的觀測(cè)成果相比，大采高一次采全高工作面開(kāi)采后，地表沉陷變形更加劇烈，變形集中，地表下沉系數(shù)偏大，水平移動(dòng)系數(shù)、拐點(diǎn)偏移系數(shù)偏小，地表下沉速度快，地表裂縫更為發(fā)育，地表沉降活躍期短，但累計(jì)下沉量占總沉降量的比重高。

[1] 李德海.覆巖巖性對(duì)地表移動(dòng)過(guò)程時(shí)間影響參數(shù)的影響[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004(22)：3780-3784. Li Dehai.Influence of cover rock characteristics on time influencing parameters in process of surface movement[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004(22)：3780-3784.

[2] 滕永海，王金莊.五陽(yáng)礦綜采放頂煤地表移動(dòng)與變形特點(diǎn)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2003(12):57-59. Teng Yonghai，Wang Jinzhuang.Characteristics of ground displacement and deformation for fully mechanized coal caving mining in Wuyang Mine[J].Coal Science and Technology,2003(12):57-59.

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Ground Subsidence Rules of Large Mining Height One Pass Cutting Coal Mining under the Conditions of Thick Loess

Zheng Zhigang1,2Dai Huayang1

(1.SchoolofResourceandsafetyEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，Beijing100083，China;2.TangshanResearchInstitute,ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroup，Tangshan063012，China)

One pass cutting coal mining face of large mining height under the thick loose layer has features of high mining strength and high recovery rate.And，the surface subsidence deformation and rock movement parameters have its own characteristics and rules.To study the surface movement and deformation rule of working face with large mining height，surface movement observation station is arranged above the 8101 working face in Wangzhuang Coal Mine.By analyzing the survey data，the characteristics of ground surface deformation and movement under the conditions of thick loess-covered and one pass cutting coal mining are revealed，different kinds of prediction parameters and angle parameters are obtained，and the rule of development，distribution features，crack width and depth of ground fissures are analyzed.Compared with the observation results in the conventional fully-mechanized caving face，the surface movement and deformation at the one pass cutting coal mining face is more severe，and subsidence processes are more concentrated in both space and time.The influence on building structures is more significant.

Thick loess layer，Large mining height，Surface movement，Subsidence parameters，Observing station

2015-01-24

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：51474129)。

鄭志剛(1974—)，男，高級(jí)工程師。

TD17，TD325

A

1001-1250(2015)-04-229-04