陳才賢，蘇 靜，趙忠義

(六盤水師范學(xué)院 礦業(yè)工程系，貴州 六盤水 553004)

巨厚松散層下煤層開采地表移動(dòng)規(guī)律研究

陳才賢，蘇 靜，趙忠義

(六盤水師范學(xué)院 礦業(yè)工程系，貴州 六盤水 553004)

為了研究巨厚松散層下采煤對(duì)地表沉陷的影響，以趙家寨煤礦地表移動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了巨厚松散層地質(zhì)采礦條件下采煤對(duì)地表沉降特征、地表最大下沉速度、地表最大下沉速度滯后距以及地表不同階段移動(dòng)持續(xù)時(shí)間的影響，結(jié)果表明在巨厚松散層條件下開采，地表下沉系數(shù)偏大，接近于1，主要影響角正切值偏小，地表移動(dòng)范圍較大，拐點(diǎn)偏移距較小，地表最大下沉速度滯后距較小，最后得出在巨厚松散層下開采，地表顯現(xiàn)出下沉速度加快，活躍期延長(zhǎng)而衰退期縮短，地表殘余變形減小并且穩(wěn)定快等特征。

松散層；地表移動(dòng)規(guī)律；地表下沉特征；最大下沉速度；地表下沉系數(shù)

關(guān)于厚松散層下煤炭開采對(duì)地表沉降規(guī)律的影響，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者做了大量相關(guān)研究[1-9]，其中文獻(xiàn)[1]主要從地表最大下沉速度、地表移動(dòng)變形持續(xù)時(shí)間以及地表最大下沉速度滯后距與滯后角等方面，較詳細(xì)地論述了厚松散層下煤層開采對(duì)地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形的影響；文獻(xiàn)[2]分析了在厚松散層綜放開采條件下，通過(guò)對(duì)地表下沉速度的研究，得出該區(qū)域一些地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形的表量參數(shù)；文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]列舉了幾個(gè)與地表下沉速度有關(guān)的地質(zhì)采礦因素，最后得出開采深度與地表下沉速度成反比，回采工作面推進(jìn)速度與回采區(qū)域內(nèi)地表最大下沉速度成正比。上述學(xué)者雖對(duì)厚松散層下煤層開采地表移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究，并得出了重要的研究成果，但其研究范圍內(nèi)的松散層厚度多集中在100～200m之間，對(duì)類似于趙家寨礦井田松散層厚度平均616m的地質(zhì)條件的地表移動(dòng)規(guī)律研究較少。筆者根據(jù)趙家寨礦井田采礦地質(zhì)條件，通過(guò)研究巨厚松散層下開采地表移動(dòng)規(guī)律，為相似地質(zhì)采礦條件的井田開采提供理論參考。

1 采礦地質(zhì)條件及地表觀測(cè)站概況

1.1 采礦地質(zhì)條件

由鉆孔揭示的地質(zhì)資料可知，趙家寨煤礦井田內(nèi)由第四系、第三系松散層全覆蓋，松散層平均厚度達(dá)616.25m，主采二1煤層，平均煤厚為6.16m，采用分層開采，開采厚度為3.5m，煤層傾角5.5°，煤層直接頂主要以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，基本頂主要以細(xì)～粗粒砂巖為主。為了研究巨厚松散層下工作面回采引起的地表沉降特征，趙家寨礦11011工作面建立地表移動(dòng)觀測(cè)站。11011工作面概況如表1所示，工作面于2010年11月7日開始回采，2012年2月回采結(jié)束。

表1 11011工作面概況

1.2 觀測(cè)站概況

11011工作面地表移動(dòng)觀測(cè)線位置布置如圖1所示，沿傾向與走向共布置了2條地表移動(dòng)觀測(cè)線，其中觀測(cè)線I，II分別含有測(cè)點(diǎn)55和48個(gè)。

圖1 11011工作面地表移動(dòng)觀測(cè)線位置布置

2 地表各沉降特征參數(shù)研究

2.1 地表下沉特征研究

地表觀測(cè)站從2010年10月開始觀測(cè)，到2013年12月29日觀測(cè)結(jié)束，期間共計(jì)觀測(cè)33次，取得了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)。利用投影原理，分別將觀測(cè)線I與觀測(cè)線II的最終觀測(cè)下沉值投影到傾向和走向主斷面上，以概率積分法模型為基礎(chǔ)，采用最小二乘法，通過(guò)對(duì)走向與傾向主斷面最終下沉值進(jìn)行擬合，分別得出走向與傾向下沉擬合關(guān)系曲線，如圖2所示。

綜合分析11011工作面傾向主斷面和走向主斷面曲線擬合結(jié)果，最終獲得趙家寨煤礦概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)：q=0.9，主要影響角正切tanβ=1.92，拐點(diǎn)偏移距s0=-0.03H0。上述3個(gè)主要的概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)，與一般地質(zhì)采礦條件下有很大的不同，這恰好體現(xiàn)了在巨厚松散層下開采，地表移動(dòng)變形所特有的規(guī)律：

圖2 11011工作面走向與傾向最終下沉擬合關(guān)系曲線

(1)下沉系數(shù)偏大 趙家寨煤礦11011工作面平均埋深為690m，其中基巖厚度為110m，第三、四系松散層厚度為580m，松散層厚度占總體巖層厚度的84%，為典型的厚松散地質(zhì)特征。而下沉系數(shù)的大小與覆巖力學(xué)性質(zhì)有密切的關(guān)系。分析原因是由于松散層厚度所占比例大，且?guī)r性較軟，一方面，在煤層開采導(dǎo)致的巖層移動(dòng)過(guò)程中，松散層自身不易產(chǎn)生離層裂縫，而是產(chǎn)生了塑性變形，表現(xiàn)為整體下沉的現(xiàn)象；另一方面，由于松散層厚度較大，自重的作用對(duì)在巖層移動(dòng)過(guò)程中起控制作用的基巖施加了巨大的壓力，從而在一定程度上縮小了基巖層在移動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的離層以及由于巖石的破碎產(chǎn)生的碎脹性，從而加大了地表的下沉量。

(2)主要影響角正切值偏小 趙家寨煤礦11011工作面回采結(jié)束后根據(jù)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)擬合出tanβ值偏小，說(shuō)明在該地質(zhì)條件下，地表移動(dòng)范圍較大。分析認(rèn)為，松散層作為一種介質(zhì)存在，其物理性質(zhì)與基巖差異較大，自身具有流變性，而正是這種流變性決定了地表移動(dòng)范圍的擴(kuò)大，即主要影響半徑的增大，從而使得tanβ減小，并且這種趨勢(shì)隨松散層在覆巖所占比例的增大而增大。

(3)拐點(diǎn)偏移距較小 分析認(rèn)為，由于厚松散層在重力的作用下形成巨大的載荷施加于基巖之上，將開采邊界附近冒落的頂板壓實(shí)，同時(shí)懸頂范圍也進(jìn)一步減小，頂板逐漸失去了懸臂的作用，使得拐點(diǎn)由采空區(qū)向煤壁方向偏移，此時(shí)拐點(diǎn)偏移距逐步減小。當(dāng)拐點(diǎn)偏移至煤壁內(nèi)側(cè)時(shí)，拐點(diǎn)偏移距為負(fù)值。

2.2 地表最大下沉速度的變化特征研究

通過(guò)分析11011工作面最大下沉點(diǎn)的下沉速度曲線(圖3)，得出11011工作面開采后對(duì)應(yīng)的地表最大下沉速度為24.5mm/d，對(duì)比于其他采礦地質(zhì)條件，最大下沉速度較大，分析原因主要是由于采高較大，煤層開采后形成的采空區(qū)空間相應(yīng)變大，在上覆巖層應(yīng)力的作用下采空區(qū)上方的巖層發(fā)生垮落、下沉，同時(shí)其上覆巨厚松散層整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱，幾乎沒(méi)有承載能力。在上面兩部分因素的共同作用下造成地表下沉劇烈程度也相應(yīng)加大。

A—開始階段；B—活躍階段；C—衰退階段；L—最大下沉速度滯后距圖3 最大下沉點(diǎn)的下沉速度曲線

2.3 地表不同階段移動(dòng)持續(xù)時(shí)間分析

地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間是指地表最大下沉點(diǎn)從剛開始移動(dòng)到移動(dòng)停止所經(jīng)歷的時(shí)間。地表移動(dòng)的強(qiáng)烈程度由地表下沉速度來(lái)反映，通常依據(jù)地表下沉速度對(duì)建(構(gòu))筑物的影響程度不同，將地表點(diǎn)的移動(dòng)全過(guò)程分為3個(gè)階段：開始階段、活躍階段和衰退階段，11011工作面地表各階段移動(dòng)持續(xù)時(shí)間及相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 11011工作面地表各階段移動(dòng)持續(xù)時(shí)間及相關(guān)數(shù)據(jù)

由表2可知，地表移動(dòng)變形開始階段持續(xù)時(shí)間為68d，其占整個(gè)地表移動(dòng)時(shí)間比值為16.3%，而在活躍階段，其持續(xù)時(shí)間為206d，其占整個(gè)地表移動(dòng)時(shí)間比值達(dá)到49.5%，很明顯此階段地表移動(dòng)變形程度比較大。分析認(rèn)為，這與該地區(qū)的特殊地質(zhì)條件有關(guān)，上述兩個(gè)階段由于基巖比較薄，松散層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度小，因此地表移動(dòng)對(duì)采動(dòng)空間尺寸的大小就會(huì)比較敏感且劇烈；而在衰退階段，其持續(xù)時(shí)間為142d，其占整個(gè)地表移動(dòng)時(shí)間比值為34.2%。衰退階段持續(xù)時(shí)間主要與松散層內(nèi)結(jié)構(gòu)有關(guān)，尤其是當(dāng)松散層內(nèi)有隔水層存在的情況下，松散層內(nèi)的孔隙水消散較慢，受采動(dòng)影響持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)[10]。

2.4 最大下沉速度滯后距分析

最大下沉速度滯后現(xiàn)象指的是在地表下沉速度曲線上，地表最大下沉速度點(diǎn)的位置總是落后于工作面一定距離的現(xiàn)象，并且將這段距離稱為最大下沉速度滯后距，如圖3中的L所示，地表最大下沉速度滯后角指的是回采工作面與地表最大下沉速度點(diǎn)之間的連線和煤層在采空區(qū)一側(cè)的夾角，常用φ表示，表達(dá)公式如下：

φ=arccotL/Ho

(1)

式中，φ為最大下沉速度滯后角，(°)；L為滯后距，m；Ho為平均采深，m。

由圖3可知，在傾向方向上當(dāng)?shù)乇磉_(dá)到最大下沉速度時(shí)，此時(shí)11011工作面最大下沉速度滯后距為171m，將L=171m，Ho=690m帶入式(1)得到φ=69°。由此可以看出，在巨厚松散層條件下，同其他采礦地質(zhì)條件相比，最大下沉速度滯后距較小，最大下沉速度滯后角較大。分析原因，筆者認(rèn)為在工作面的回采過(guò)程中，由于工作面的采高較大，進(jìn)而形成較大的開采空間，又由于巨厚松散層的影響，使得上覆巖土體整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱，在煤層采出后，煤層頂板的破壞沉降能很快反映到地表。

3 結(jié) 論

(1)在巨厚松散層地質(zhì)條件下回采，地表下沉系數(shù)偏大，接近于1，主要影響角正切值偏小，地表移動(dòng)范圍較大，拐點(diǎn)偏移距較小，地表最大下沉速度滯后距較小。

(2)通過(guò)分析最大下沉點(diǎn)下沉速度與工作面之間關(guān)系可知，相較于薄松散層地質(zhì)條件，地表最大下沉速度達(dá)到24.5mm/d，明顯增大，地表最大下沉速度滯后距為171m，相對(duì)較小，說(shuō)明在巨厚松散層下開采，地表移動(dòng)較為劇烈，頂板下沉傳遞到地表所需時(shí)間短。由此可以為相似地質(zhì)采礦條件下工作面回采過(guò)程中地表移動(dòng)劇烈區(qū)域的確定提供指導(dǎo)。

(3)在巨厚松散層條件下地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間的3個(gè)階段中，相較于薄松散層采礦地質(zhì)條件，地表下沉活躍階段時(shí)間達(dá)到206d，相對(duì)延長(zhǎng)；而衰退期時(shí)間卻為142d，相對(duì)縮短，說(shuō)明松散層厚度增加，地表移動(dòng)變形程度增大，而地表殘余變形減小并且穩(wěn)定快。

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[責(zé)任編輯：徐乃忠]

Study of Surface Movement Principle of Coal Seam Mining under Super Thick Unconsolidated Stratum

CHEN Cai-xian，SU Jing，ZHAO Zhong-yi

(Department of Mine Engineering，Liupanshui Teachers College，Liupanshui 553004，China)

In order to study influence that mining under super thick unconsolidated stratum to surface subsidence，it taking surface movement observation data of Zhaojiazhai coal mine as base，the influence that mining to surface subsidence characters，the maximal subsidence speed of surface ，delay distance of the maximal subsidence speed of surface and surface movement time in different stage under super thick unconsolidated stratum geological mining situation，the results showed that mining under super thick unconsolidated stratum，surface subsidence index was larger，it almost equal to one，the tangent value was smaller of the main influence angle，surface movement scope larger，offset distance of inflection point was smaller，delay distance of the maximal surface subsidence speed was smaller，then the following conclusions obtained，mining under super thick unconsolidated，surface subsidence speed accelerate，active period prolonged and recession period shorten，residual deformation of surface became smaller and stable quickly，and so on.

unconsolidated stratum；surface movement principle；surface subsidence characters；the maximal subsidence speed；surface subsidence index

2016-10-17

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.018

貴州省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目(黔教合KY字[2014]283號(hào))；采礦工程省級(jí)特色重點(diǎn)學(xué)科(黔學(xué)位合字ZDXK[2015]9號(hào))

陳才賢(1983-)，男，湖南郴州人，碩士，副教授，從事煤礦開采技術(shù)及巖石力學(xué)方面研究。

陳才賢，蘇 靜，趙忠義.巨厚松散層下煤層開采地表移動(dòng)規(guī)律研究[J].煤礦開采，2017，22(3)：59-61，77.

TD325

A

1006-6225(2017)03-0059-03