賀國(guó)偉，朱永偉，王 濤，吳 迪，郭 劍

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000)

當(dāng)工作面推進(jìn)到一定距離后，上覆巖層的移動(dòng)、變形、離層、斷裂、垮落等運(yùn)動(dòng)由下而上傳遞到地表后引起沉陷變形，達(dá)到一定程度后，對(duì)地表植被、水系和建構(gòu)筑物等造成不同程度影響及破壞[1-3]。針對(duì)地表沉陷變形問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同視角研究分析了地表沉陷規(guī)律，主要?dú)w納為以下幾個(gè)方面：一是開(kāi)采工作面特點(diǎn)：大采高、大采深、疊加工作面開(kāi)采，規(guī)則與不規(guī)則工作面開(kāi)采等[4-8]；二是開(kāi)采方法：一次采全高頂板垮落法、條帶開(kāi)采法、充填開(kāi)采法和分層開(kāi)采法等[9-12]；三是地質(zhì)地形特點(diǎn)：地表薄或厚松散層覆蓋開(kāi)采、薄或厚黃土層覆蓋開(kāi)采、薄或厚基巖層開(kāi)采、山區(qū)開(kāi)采等[13-15]；四是綜合上述二者或三者特點(diǎn)，如厚黃土層大采高、薄基巖層大采高，厚松散層大采高等[16-17]。針對(duì)燕家河煤礦8211工作面厚黃土層和相鄰采空區(qū)特點(diǎn)，以地表觀(guān)測(cè)站實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)分析了地表沉陷變形的一般規(guī)律和參數(shù)特征，并與該礦區(qū)首采工作面地表移動(dòng)變形規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比分析。研究成果對(duì)其他類(lèi)似條件礦井工作面開(kāi)采地表沉陷規(guī)律研究提供了借鑒，以便更好地指導(dǎo)“三下”采煤高效安全開(kāi)采。

1 工作面概況

燕家河煤礦位于黃隴煤田中部，礦區(qū)地層由老至新是：上三疊統(tǒng)胡家村組、下侏羅統(tǒng)富縣組、中侏羅統(tǒng)延安組、中侏羅統(tǒng)直羅組、中侏羅統(tǒng)安定組、下白堊統(tǒng)宜君組、下白堊統(tǒng)洛河組、古近和新近、第四系黃土層。

8211工作面南、北分別以保護(hù)煤柱線(xiàn)為界。北部相鄰為8212工作面，已于2012年11月至2013年8月開(kāi)采，采長(zhǎng)940m，采寬190m；南部相鄰為8210工作面，開(kāi)采時(shí)間為2013年12月至2014年4月，采長(zhǎng)505m，采寬180m；工作面之間留設(shè)7～10m保護(hù)煤柱。

8211工作面上方對(duì)應(yīng)地面在彬縣新民鎮(zhèn)蘇村南部，地形為典型的溝、谷切割地貌。工作面煤層底板高程為+520～+540m。工作面采長(zhǎng)約772m，采寬約201m，平均埋深549m，開(kāi)采厚度3.2m。

8211工作面煤層總體呈一東西走向的單斜構(gòu)造，回采的為8號(hào)主煤層。煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤厚1.8～5.8m,平均厚度5.6m,煤層傾角0°～3°，平均2°，局部含夾矸1～3層，夾矸厚度為0.05～0.3m,巖性為灰色泥巖、炭質(zhì)泥巖，煤層賦存穩(wěn)定。煤層頂板主要為泥巖和砂巖互層。底板主要為煙灰-灰色鋁土質(zhì)泥巖，含粉砂巖和小量炭屑。煤系地層上覆巖性為中硬，工作面回采范圍內(nèi)上覆黃土層厚度109m。

2 地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站概況

8211工作面布設(shè)1條半長(zhǎng)走向觀(guān)測(cè)線(xiàn)YB，YB線(xiàn)長(zhǎng)925m，工作測(cè)點(diǎn)間距25m，布設(shè)了39個(gè)工作測(cè)點(diǎn)，包含1個(gè)加密點(diǎn)；走向觀(guān)測(cè)線(xiàn)在工作面正上方向下山方向移動(dòng)18.9m，經(jīng)過(guò)傾向主斷面上預(yù)計(jì)地表最大下沉點(diǎn)，與工作面走向平行。在傾向方向上布設(shè)1條全長(zhǎng)觀(guān)測(cè)線(xiàn)，兼顧回采結(jié)束的8212工作面、8210工作面的疊加影響，南端延長(zhǎng)100m，傾向觀(guān)測(cè)線(xiàn)YA線(xiàn)長(zhǎng)為1500m，工作測(cè)點(diǎn)間距取25m，布設(shè)63個(gè)工作測(cè)點(diǎn)，包含2個(gè)加密點(diǎn)。傾斜觀(guān)測(cè)線(xiàn)距離開(kāi)切眼約413m，與走向觀(guān)測(cè)線(xiàn)垂直相交。8211工作面地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站布置見(jiàn)圖1。

圖1 8211工作面地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站布置

8211工作面開(kāi)采之前共進(jìn)行了1次連接測(cè)量和2次最初全面觀(guān)測(cè)；采動(dòng)期間進(jìn)行了7次全面觀(guān)測(cè)和17次日常觀(guān)測(cè)，獲取了大量地表沉陷變形數(shù)據(jù)。

3 地表移動(dòng)與變形規(guī)律實(shí)測(cè)分析

3.1 靜態(tài)地表移動(dòng)與變形特征

8211工作面停采后，待地表移動(dòng)變形穩(wěn)定后量算走向和傾向監(jiān)測(cè)線(xiàn)實(shí)測(cè)地表移動(dòng)參數(shù)與變形參數(shù)最大值見(jiàn)表1。

由表1可知，8211工作面開(kāi)采后，地表最大沉陷和變形值相對(duì)較大，最大下沉值為2357mm，占采高的73.7%，最大水平移動(dòng)值超該礦區(qū)一般工作面的40.1%，最大傾斜和水平變形值分別超出34.1%和203.6%，最大曲率值超出86.3%，可見(jiàn)，8211工作面開(kāi)采后，地表采動(dòng)程度高。分析原因是8211工作面開(kāi)采后，上覆巖層垮落壓實(shí)采空區(qū)后，對(duì)走向兩側(cè)煤柱形成側(cè)壓力，該影響傳到地表后，厚黃土層呈現(xiàn)一定整體性向采空區(qū)中央移動(dòng)，在自重作用下對(duì)上覆巖層產(chǎn)生更大荷載，該荷載傳到走向兩側(cè)煤壁后，使煤壁承受更大壓力，當(dāng)該壓力超過(guò)煤壁的極限承壓力后，煤壁會(huì)向兩側(cè)相鄰采空區(qū)間隙坍塌充填，煤壁失去支撐力后，加劇了上覆塌落巖石進(jìn)一步塌陷壓實(shí)，進(jìn)而使地表沉陷變形加劇，這一過(guò)程實(shí)質(zhì)為非充分開(kāi)采變?yōu)槌浞珠_(kāi)采。走向方向最大下沉點(diǎn)向谷底方向有較大偏移。

圖2和圖3分別為8211工作面YB和YA線(xiàn)地表移動(dòng)變形曲線(xiàn)。由圖2和3可得出：地表下沉曲線(xiàn)在傾向上不以采空區(qū)中央對(duì)稱(chēng)，而是略偏向采空區(qū)下山一側(cè)。傾向方向傾斜最大值和零值均向老采空區(qū)一側(cè)偏移，走向方向傾斜最大值和零值均沿工作面向推進(jìn)方向偏移；采空區(qū)偏向下山一側(cè)的傾斜值普遍呈現(xiàn)正值。采空區(qū)上山一側(cè)的地表移動(dòng)變形范圍和幅度是略大于采空區(qū)下山一側(cè)，受煤層傾角影響，厚松散層在移動(dòng)過(guò)程中抗拉能力較弱，在拉伸區(qū)域內(nèi)，地表移動(dòng)變形程度較大。采空區(qū)上山一側(cè)的水平變形和曲率變化幅度較大，而下山一側(cè)變化幅度較小，形成鮮明對(duì)比。筆者認(rèn)為上述現(xiàn)象主要是由下述2個(gè)原因?qū)е碌模阂皇鞘苊簩觾A角影響，采空區(qū)垮落的巖石會(huì)滾向采空區(qū)下山一側(cè)，形成充填壓實(shí)，該影響傳到地表后，厚黃土層也呈現(xiàn)一定的整體性向采空區(qū)下山方向移動(dòng)，而黃土層抗拉能力較弱，使上山方向一側(cè)對(duì)應(yīng)地表移動(dòng)變形程度較大；二是與下山方向相鄰采空區(qū)是2a之前開(kāi)采形成的，其沉陷變形基本穩(wěn)定；而與上山方向一側(cè)相鄰采空區(qū)是1a之前開(kāi)采形成的，覆巖及地表并未穩(wěn)定，仍有殘余變形。8211工作面開(kāi)采后，上山一側(cè)煤壁會(huì)承受更大的壓力，隨工作面不斷掘進(jìn)，承受壓力越來(lái)越大，當(dāng)工作面開(kāi)采到424m時(shí)，煤壁承受壓力超過(guò)其極限荷載后，出現(xiàn)了坍塌垮落，受傾角影響，對(duì)采空區(qū)下山一側(cè)形成充填壓實(shí)，而與上山方向一側(cè)相鄰采空區(qū)由于失去煤壁支撐力等作用力后，為恢復(fù)原有應(yīng)力平衡，上覆巖層繼續(xù)下沉，誘發(fā)地表進(jìn)一步沉陷變形，使其移動(dòng)變形范圍較大。

圖2 8211工作面YB線(xiàn)地表移動(dòng)變形曲線(xiàn)

圖3 8211工作面YA線(xiàn)地表移動(dòng)變形曲線(xiàn)

3.2 動(dòng)態(tài)地表移動(dòng)與變形規(guī)律

8211工作面回采過(guò)程中走向和傾向觀(guān)測(cè)線(xiàn)的地表沉陷變形曲線(xiàn)如圖4和圖5所示，工作面推進(jìn)過(guò)程中地表沉陷變形大、速度快，而且地表沉陷變形范圍及程度不斷擴(kuò)大，最終趨于穩(wěn)定。

圖4 8211工作面YB方向動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形曲線(xiàn)

圖5 8211工作面YA方向動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形曲線(xiàn)

走向觀(guān)測(cè)線(xiàn)上傾斜值由盆地邊界向采空區(qū)一側(cè)逐漸增大，且呈現(xiàn)正值，而采空區(qū)上方傾斜值呈現(xiàn)正負(fù)交替變化，具體值無(wú)變化規(guī)律可循。在7月8日到8月15日工作面推進(jìn)過(guò)程中，地表最大下沉速度達(dá)6mm/d，而8月15日至11月3日之間，最大下沉速度達(dá)17mm/d，隨后下沉速度變?yōu)?mm/d，該速度變化幅度遠(yuǎn)大于該礦區(qū)一般工作面開(kāi)采最大下沉速度變化。傾向地表下沉曲線(xiàn)不以采空區(qū)中央對(duì)稱(chēng)，而且采空區(qū)中央兩側(cè)沉陷變形幅度和范圍也不對(duì)稱(chēng)，下山方向沉陷變形范圍和幅度較大。傾向傾斜曲線(xiàn)也呈現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)變化狀態(tài)，上山一側(cè)傾斜值較大，基本偏向采空區(qū)一側(cè)，而下山方向一側(cè)傾斜值相對(duì)較小，且呈現(xiàn)正負(fù)交替。

3.3 地表移動(dòng)參數(shù)分析

3.3.1地表移動(dòng)角量參數(shù)分析

依據(jù)地表觀(guān)測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用圖解方法量算出8211工作面回采后走向方向、下山方向和上山方向的邊界角、移動(dòng)角、裂縫角、充分采動(dòng)角和半盆底長(zhǎng)度，具體結(jié)果見(jiàn)表2。走向東端半盆地長(zhǎng)L3=774.0m，上山半盆地長(zhǎng)L2=824.9m，下山半盆地長(zhǎng)L1=807.1m，受臨采空區(qū)和厚黃土層影響傾向邊界角、移動(dòng)角和裂縫角均小于走向?qū)?yīng)值，而傾向充分采動(dòng)角和半盆地長(zhǎng)度較大，可見(jiàn)在傾向上地表采動(dòng)程度高。

表2 地表移動(dòng)角計(jì)算參數(shù)

3.3.2 地表移動(dòng)動(dòng)態(tài)參數(shù)分析

8211工作面推進(jìn)距開(kāi)切眼100m，地表最大下沉值為13mm，超過(guò)了標(biāo)志地表開(kāi)始移動(dòng)變形的臨界值，無(wú)法精確計(jì)算出地表下沉10mm時(shí)工作面推進(jìn)距離，因此將100m視為地表啟動(dòng)距，可見(jiàn)，8211工作面啟動(dòng)距應(yīng)小于100m。

當(dāng)8211工作面推進(jìn)到距開(kāi)切眼距離為101m，YB33下沉量達(dá)到12mm，該點(diǎn)距工作面206m，因此超前影響距為206m，量算的超前影響角為69°26′。在工作面從237.6m推進(jìn)到355.6m期間，YB30點(diǎn)下沉速度最大，為31.8mm/d，此時(shí)地表沉陷變形較為劇烈。根據(jù)地表最大下沉速度與地表最大下沉值、開(kāi)采深度、覆巖性質(zhì)和工作面掘進(jìn)速度之間的經(jīng)驗(yàn)公式

(1)

式中,K為下沉速度系數(shù)；Wmax為地表最大下沉值，mm；V為工作面掘進(jìn)速度，m/d；H0為平均采深，m。

計(jì)算出最大下沉速度系數(shù)K=1.638，地表沉陷變形已受到臨采空區(qū)影響。達(dá)到充分采動(dòng)后，最大下沉速度滯后距為224.3m，滯后角為67°46′。地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間共550d，其中初始期為25d，占總持續(xù)時(shí)間的4.5%，地表沉陷量占最大沉陷量的0.9%；地表活躍期持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短，為213d，占總持續(xù)時(shí)間的38.7%，期間地表沉陷量占最大沉陷量的95.9%，下沉量主要集中在該階段；地表衰退期較長(zhǎng)，為312d，占總持續(xù)時(shí)間的56.7%，但地表沉陷量占最大沉陷量的3.6%。

3.3.3 地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)分析

8211工作面開(kāi)采后走向和傾向地表下沉曲線(xiàn)符合概率積分法預(yù)計(jì)曲線(xiàn)，可采用概率積分法對(duì)其進(jìn)行預(yù)計(jì)，但在預(yù)計(jì)時(shí)受臨采空區(qū)影響使預(yù)測(cè)曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)曲線(xiàn)存在一定偏差。概率積分法預(yù)計(jì)所需要的參數(shù)：下沉系數(shù)q，水平移動(dòng)系數(shù)b，主要影響角正切及拐點(diǎn)偏移距s，見(jiàn)表3。拐點(diǎn)偏移距呈現(xiàn)出較大異常值，走向上拐點(diǎn)偏移距受厚松散層影響偏向煤壁一側(cè)；傾向拐點(diǎn)偏移距受臨采空區(qū)和大采深影響偏移值較大，大于我國(guó)一般礦區(qū)的0.05H～0.3H(H為采深)范圍[1]。

表3 地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)

4 結(jié) 論

在相鄰采空區(qū)和地表厚黃土層影響下，地表下沉、傾斜和水平變形分別超出該礦區(qū)一般工作面的40.1%，34.1%和203.6%，地表移動(dòng)變形劇烈。啟動(dòng)距為100m，最大下沉速度系數(shù)K=1.638，地表受采動(dòng)影響靈敏，上覆巖層移動(dòng)變形速度快，地表采動(dòng)程度高。

地表移動(dòng)開(kāi)始階段持續(xù)時(shí)間較短，下沉量?jī)H占總下沉量的0.9%，活躍階段持續(xù)時(shí)間占總時(shí)間的38.7%，而下沉量占總量的95.9%，衰退階段下沉量較小，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，此現(xiàn)象與厚黃土層和相鄰采空區(qū)影響有關(guān)。