劉義新

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室

地下煤炭開采引起的地表沉陷是一個十分復(fù)雜的過程[1-3]，它受地質(zhì)、采礦條件的綜合影響，要認(rèn)識這一復(fù)雜過程，并獲取相應(yīng)的地表沉陷規(guī)律，并為礦井保護(hù)煤柱留設(shè)、“三下”壓煤開采等提供依據(jù)，主要方法是通過設(shè)置地表移動觀測站進(jìn)行實地觀測，然后對這些資料進(jìn)行綜合分析，找出相應(yīng)的地表移動規(guī)律。陽灣溝煤礦6204工作面地表臨近工業(yè)廣場，附近分布有大量建(構(gòu))筑物，工作面開采可能影響工業(yè)廣場建(構(gòu))筑物的安全，同時該礦及附近區(qū)域無淺埋綜放開采條件下工作面開采地表移動實測規(guī)律和地表移動參數(shù)等研究成果。鑒于此，故在6204工作面上方地表建立地表移動觀測站以期求得地表移動規(guī)律和指導(dǎo)建筑物附近6204工作面安全開采。

1 工作面與地表移動觀測站概況

1.1 工作面概況

6204工作面位于該井田南部，形狀呈階梯狀，A段長86.4m，B段長126.5m；A段走向長度106m，B段走向長181m，累計走向長287m。開采石炭系上統(tǒng)太原組6號煤層，煤層厚度9～11m，平均煤厚9m，傾角3°～5°，煤層結(jié)構(gòu)簡單。采深161～202m，平均采深182m。工作面采用長壁綜合機(jī)械化放頂煤開采，一般開采3m，放煤3～6m，采放比1∶1～1∶2，綜合采高約6～9m，平均約7.2m，全部垮落法管理頂板。工作面每日推進(jìn)0.9～4.8m，正常情況下每日推進(jìn)3.6m。上覆巖層主要由粗砂巖、細(xì)砂巖、泥巖及第四系黃土層等組成，馬蘭組黃土層平均厚度約65m。地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件簡單。

1.2 地表移動觀測站概況

6204工作面上方地表布設(shè)2條地表移動觀測線：一條走向觀測線和半條傾斜觀測線。6204工作面地表移動觀測站布置圖見圖1。走向觀測線長約630m，共布設(shè)33個測點，工作測點編號為A01，A02，…，A33；傾向觀測線長約400m，共布設(shè)17個測點，工作測點編號為B01，B02，…，B17；各工作測點間距一般為20m。整個觀測過程累計進(jìn)行了26次水準(zhǔn)測量，11次全面觀測。平面坐標(biāo)測量采用全站儀來完成，高程采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行了觀測。

圖1 6204工作面地表移動觀測站布置

2 地表移動和變形分布規(guī)律

2.1 地表移動和破壞的形式分析

6204工作面采深采厚比為21～32，平均為28，6204工作面地表移動的表現(xiàn)形式可能為地表移動盆地和地表裂縫。現(xiàn)場地表沉陷實測證實：地表移動的主要表現(xiàn)形式為地表移動盆地，同時發(fā)育有地表裂縫。地表裂縫多為臺階裂縫，最大落差約400mm，裂縫最大寬約120mm，發(fā)育深度大于5m，發(fā)育位置主要集中在工作面中部靠近6204主輔運(yùn)巷道，整體構(gòu)成橢圓形，并未出現(xiàn)6204工作面上覆巖土體整體切落現(xiàn)象。

2.2 地表移動和變形靜態(tài)分布規(guī)律

6204工作面地表靜態(tài)移動和變形主要分布規(guī)律如下：

(1)6204工作面地表靜態(tài)移動和變形總體上是連續(xù)漸變的，該過程符合煤礦開采沉陷的一般規(guī)律。

(2)6204工作面上方地表移動和變形主要集中在采空區(qū)上方地表，采空區(qū)兩側(cè)邊界正上方至地表移動盆地邊界移動和變形值迅速減小，且地表移動和變形值較小。

(3)地表下沉曲線走向方向?qū)捗婧驼鎮(zhèn)炔粚ΨQ，在寬面終采線側(cè)要比在窄面開切眼側(cè)陡。窄面最大下沉位置(A17點，最大下沉值為1066mm)不是在窄面采空區(qū)中央之正上方，而是位于窄面與寬面分界處；寬面最大下沉位置(A21點，最大下沉值為1990mm)不是發(fā)生在寬面采空區(qū)中央之正上方，而是偏離寬面采空區(qū)中央向窄面?zhèn)燃s32m處。

(4)根據(jù)地表移動觀測站實測資料，6204工作面開采后地表最大下沉值為1990mm，最大傾斜為-21.4mm/m，最大水平移動649mm，最大水平變形11.9mm/m。

2.3 地表移動和變形動態(tài)分布規(guī)律

6204工作面地表動態(tài)移動和變形主要分布規(guī)律如下：

(1)6204工作面推進(jìn)過程中，地表移動和變形總體上是連續(xù)漸變的，但在地表下沉某個過程存在突變現(xiàn)象，下沉增加很快。

(2)6204工作面推進(jìn)過程中，工作面上方地表移動和變形主要集中在采空區(qū)上方地表，采空區(qū)兩側(cè)邊界正上方至地表移動盆地邊界移動和變形值迅速減小，且地表移動和變形值較小。就地表下沉而言，窄面采空區(qū)邊界正上方地表下沉量由最大下沉1066mm迅速減小到下沉量約24mm，約占窄面最大下沉量的2.3%；寬面采空區(qū)邊界正上方地表下沉量由最大下沉1990mm迅速減小到下沉量約30mm，寬面采空區(qū)側(cè)下沉量約占窄面最大下沉量的1.5%。

3 地表移動參數(shù)確定

地表移動參數(shù)是用來反映地表移動與變形特征、程度的參數(shù)和角值。主要包括地表移動角量參數(shù)、地表移動動態(tài)參數(shù)和地表移動預(yù)測參數(shù)等，具體包括地表移動邊界角、移動角、裂縫角、最大下沉角、超前影響角、地表移動的延續(xù)時間及下沉系數(shù)等參數(shù)。

3.1 地表移動角量參數(shù)求解

在求取各種地表移動角量參數(shù)時，考慮到地表黃土層厚度較大，所求得的各地表移動角量參數(shù)均為綜合移動角量參數(shù)。

3.1.1 綜合邊界角求解

邊界角δ0是描述地表移動盆地受影響范圍的參數(shù)。走向窄面觀測線上下沉10mm的點為A09，求得開切眼A側(cè)邊界角為76°。走向?qū)捗嬗^測線上下沉10mm的點位于A29與A30之間，求得終采線側(cè)邊界角為69°。傾斜觀測線上由于上山方向受相鄰工作面開采影響，故無法求得邊界角，而下山方向下沉10mm的點為B10點，求得下山一側(cè)邊界角β0=84°。

3.1.2 綜合移動角求解

移動角是描述地表盆地出現(xiàn)危險移動邊界的參數(shù)。走向窄面觀測線上：傾斜3mm/m、曲率0.2×10-3/m、水平變形2mm/m等3個臨界變形值點，均位于開切眼A側(cè)內(nèi)部，即偏向采空區(qū)上方地表而非偏向煤柱一側(cè)上方地表，根據(jù)“三下”采煤規(guī)范移動角的求解方法[4-5]，無法求得開切眼A側(cè)移動角。走向?qū)捗嬗^測線上：曲率0.2×10-3/m的臨界變形點距離采空區(qū)邊界最遠(yuǎn)，最外點位于A25與A26間，約位于終采線邊界正上方，據(jù)此求得終采線側(cè)走向綜合移動角δ=90°。傾斜觀測線上：曲率0.2×10-3/m的臨界變形點距離6204主運(yùn)最遠(yuǎn)，最外點位于B10與B11間，位于6204主運(yùn)正上方，據(jù)此求得的下山移動角β=90°。

3.1.3 綜合裂縫角求解

裂縫角是描述地表盆地出現(xiàn)裂縫最外邊界的參數(shù)。根據(jù)實測的6204工作面地表裂縫分布圖，地表裂縫幾乎全部位于6204工作面開采邊界內(nèi)部上方地表，而非偏向煤柱外側(cè)上方地表，根據(jù)“三下”采煤規(guī)范裂縫角的求解方法，無法求得6204工作面開采條件下的裂縫角或裂縫角接近或大于90°。

3.1.4 最大下沉角求解

最大下沉角是反映地表最大下沉點位置的角量參數(shù)。6204觀測站傾斜觀測線上地表最大下沉值為1072mm，最大下沉點號為B15點，B15點位于采空區(qū)中點的正上方，求得最大下沉角θ=90°。

求取地表移動各角量參數(shù)時，要求工作面達(dá)到充分開采狀態(tài)，此次利用擬合得到的概率積分法計算參數(shù)，對充分采動條件下的地表移動和變形進(jìn)行計算，求得的邊界角和移動角為：

邊界角δ0= 73°；移動角δ=77°。

綜合分析所取得的各種角量參數(shù)，其值比充分采動條件下要大得多，有的甚至接近90°，表明在淺埋綜放非充分采動條件下，地表移動盆地尤其是危險移動盆地的范圍有所減小。

3.2 地表移動動態(tài)參數(shù)求解

3.2.1 地表移動起動距

6204工作面窄面部分累進(jìn)約86m時，觀測線上各點都產(chǎn)生不同程度地下沉，最大下沉為11mm，點號為A13，從上述現(xiàn)象可判斷，6204工作面開采地表移動起動距為86m，約0.47H0(H0為工作面平均采深)。一般在初次采動時，起動距約為(1/4～1/2)H0，可見6204工作面窄面部分由于開采尺寸小而導(dǎo)致開采起動距很大。

3.2.2 超前影響角

超前影響角ω是在地表達(dá)充分采動或接近充分采動條件下求得的。由于本觀測站為非充分采動條件，據(jù)此條件求得的參數(shù)可能偏大。根據(jù)觀測結(jié)果，工作面累計推進(jìn)約269m，地表最大下沉為1362mm，下沉10mm的點為A27點，與開采工作面的距離為41m，計算得超前影響角ω=77°。

3.2.3 最大下沉速度角

最大下沉速度角φ是在地表已達(dá)到充分采動或接近充分采動條件下求得的。由于本觀測站為非充分采動條件，據(jù)此條件求得的參數(shù)可能偏大。根據(jù)觀測結(jié)果最大下沉速度點為A20，最大下沉速度為112.2mm/d，最大下沉速度點距離開采工作面距離約79m，計算得φ=67°。

3.2.4 地表下沉速度及地表移動的延續(xù)時間

根據(jù)觀測結(jié)果，地表最大下沉點為寬面走向線上的A21點，A21點下沉速度、下沉量及工作面推進(jìn)距離與地表移動的延續(xù)時間關(guān)系曲線見圖2。

圖2 A21點下沉量、下沉速度、工作面推進(jìn)距離與 地表移動及延續(xù)時間關(guān)系曲線

從地表最大下沉點A21下沉速度及地表移動曲線圖2可知：

(1) 在A21號點整個移動過程中，點的下沉速度是有規(guī)律地變化的，開始很慢，快速增大，達(dá)到最大值，然后較快變小。點的下沉速度的變化呈現(xiàn)時間和空間上的連續(xù)、漸變。

(2)地表移動初始期非常短，僅5d左右，地表移動快速進(jìn)入活躍期，天數(shù)約為90d，活躍期較短，且最大下沉速度為98.2mm/d，平均下沉速度為28.1mm/d，地表移動劇烈，主要時間集中在工作面開采期間。

(3)地表下沉主要集中在地表移動的活躍期，下沉量占全部下沉量的94%。

3.3 地表沉陷靜態(tài)計算模型及參數(shù)分析

對于地表移動和變形的計算，國內(nèi)外專家提出了多種方法[4-8]。目前，我國比較常用的地表移動變形計算方法有概率積分法、負(fù)指數(shù)函數(shù)法、威布爾函數(shù)法和典型曲線法等[9-10]，從各礦區(qū)使用的廣泛性、實用性和方便性來看，概率積分法具有參數(shù)容易確定、實用性強(qiáng)等優(yōu)點，是各礦區(qū)最常用的方法，因此，可用概率積分法來描述6204工作面地表移動穩(wěn)定后地表移動變形規(guī)律。

根據(jù)地表移動觀測站的實測資料，采用曲線擬合法，進(jìn)行了求參計算，經(jīng)過反復(fù)計算，求出了利用概率積分法進(jìn)行預(yù)計時所需的主要參數(shù)，擬合結(jié)果如下：下沉系數(shù)q=0.78；水平移動系數(shù)b=0.3；主要影響角正切tanβ=2.2；開采影響傳播角θ0=90°-0.68α(α為煤層傾角)；拐點偏距S=0.2H0。

4 結(jié) 論

通過在淺埋綜放開采條件下6204工作面布置地表移動觀測站得出主要地表沉陷特點：

(1)淺埋綜放開采條件下地表沉陷規(guī)律總體符合一般沉陷規(guī)律，但地表移動變形主要集中在采空區(qū)上方，且伴隨永久裂縫。地表移動盆地尤其是危險移動盆地的范圍有所減小。

(2)工作面推進(jìn)過程中，地表移動和變形總體上是連續(xù)漸變的，但在地表下沉某個過程存在突變現(xiàn)象，下沉增加很快。

(3)地表移動活躍期下沉量集中，占全部下沉量的94%。

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