孫來華,張 峰

(1.內(nèi)蒙古蒙東能源有限公司,內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000;2.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司唐山分公司，河北 唐山 063012;3.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司,河北 唐山 063012)

井工煤礦開采過程中，巖層產(chǎn)生的移動(dòng)和破壞從下部發(fā)展到地表，使地表產(chǎn)生移動(dòng)和變形，形成一個(gè)范圍比煤炭采空區(qū)大得多的地表移動(dòng)盆地，處于移動(dòng)盆地不同區(qū)域的地表可能產(chǎn)生裂縫、隆起等損害，地表損害產(chǎn)生的位置及大小與第四系厚度、性質(zhì)以及變形值大小等因素密切相關(guān)[1]。厚煤層綜放開采已成為我國現(xiàn)代化高產(chǎn)高效集約化礦井的主流采煤方法，該方法采高大、推進(jìn)速度快，造成的覆巖破壞和地表沉降變形劇烈，環(huán)境破壞尤為嚴(yán)重[2]。為了掌握我國東部草原沙層覆蓋下的厚煤層綜放開采地表變形規(guī)律，本文根據(jù)敏東一礦01工作面開采期間地表移動(dòng)變形觀測站的實(shí)測數(shù)據(jù)，對地表移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究和分析。

1 區(qū)域地質(zhì)條件

敏東一礦位于大興安嶺山地西北坡，地處大興安嶺丘陵向呼倫貝爾高平原的過渡帶，地勢由東南向西北傾斜，海拔標(biāo)高一般680～740 m，相對高差60 m 左右。最高點(diǎn)位于礦區(qū)東南部，海拔標(biāo)高781 m；最低點(diǎn)位于礦區(qū)西北邊界，海拔標(biāo)高644 m，最大高差137 m。地貌形態(tài)類型為丘陵。

丘陵分布于礦區(qū)絕大部分地段，為礦區(qū)主體地貌類型。地形變化不大，呈由東向西降低的單傾斜趨勢，地形坡度較小(5～10°)，海拔標(biāo)高680～740 m。地表被第四系地層所覆蓋，工作面區(qū)域第四系厚度為67.4 m，以黃色細(xì)沙為主，地表草原植被生長良好。

煤層上方的基巖為伊敏組地層，巖性主要為灰-灰白色礫巖，灰-深灰色粉砂巖、泥巖，灰-淺灰色細(xì)砂巖、粗砂巖、含礫粗砂巖、中粒砂巖等。巖石多為凝灰質(zhì)膠結(jié)，較松散。第四系全區(qū)覆蓋不整合于伊敏組地層之上，上部為一套淺黃、黃褐、灰黃色的細(xì)砂；下部則為一套灰白、灰褐色的砂礫石、局部有亞粘土；厚度變化較大，最小為17.00 m，最大為116.70 m，平均為58.00 m。最厚地帶位于本區(qū)西南部，由此向東、東北逐漸變薄。覆巖巖性整體偏軟。

2 工作面條件及地表移動(dòng)觀測站布設(shè)

(1)工作面條件。敏東一礦01工作面走向長度1 380 m，傾向?qū)挾?97.5 m，煤層開采厚度3.9 m、5.8 m，回采工作面地表平均標(biāo)高693.0 m，平均采深310 m，煤層走向240°，傾向330°，回采工作面走向90°，煤層平均傾角5°。工作面回采時(shí)間2012年4月～2014年2月，該工作面開采方式采用綜采放頂煤開采，全部垮落法管理頂板。工作面上方地表較為平坦，無河流、無塌陷積水坑。

(2)地表移動(dòng)觀測站布設(shè)。為準(zhǔn)確獲取敏東一礦地表移動(dòng)參數(shù)，依據(jù)地層特點(diǎn)、地形及地物情況，按照《測量規(guī)程》及開采沉陷預(yù)計(jì)結(jié)果，進(jìn)行了巖移觀測站布設(shè)，該觀測站觀測線共布設(shè)3條，沿走向主斷面布設(shè)一條走向觀測線A線，且與工作面走向平行。沿傾向方向由于采厚不同，為此在采厚3.9 m的區(qū)域地表布設(shè)傾向觀測線C線、在采厚5.8 m的區(qū)域地表布設(shè)傾向觀測線B線，且傾向線均與走向線垂直；走向觀測線長度2 080 m，傾向觀測線總長度為2 084 m。

圖1 敏東一礦工作面與地表移動(dòng)觀測站平面位置關(guān)系

3 地表移動(dòng)觀測結(jié)果分析

3.1 地表沉陷盆地特征分析

從開始回采進(jìn)行地表移動(dòng)觀測至01工作面停止開采后4個(gè)月，共全面觀測27次，取得了大量的實(shí)測數(shù)據(jù)。地表走向移動(dòng)觀測線A和傾向觀測線B、C的下沉曲線如圖2所示。下沉曲線圖中橫坐標(biāo)軸代表測點(diǎn)編號，走向A線沿工作面長軸布置，在工作面推進(jìn)方向點(diǎn)號數(shù)字從小到大排列。傾向線垂直于工作面長軸布置，點(diǎn)號數(shù)字由南至北從小到大排列。

根據(jù)下沉曲線分析，由于01工作面開采煤厚的變化，走向下沉曲線A線出現(xiàn)了明顯起伏，但開采形成的地表移動(dòng)盆地在走向方向上出現(xiàn)了明顯的盆底特征，下沉剖面形狀類似盤形，符合充分采動(dòng)盆地特征。傾向上下沉曲線B線和C線剖面形狀類似V形，均無明顯底部特征，屬于非充分采動(dòng)。01工作面走向長度1 380 m，傾向?qū)挾?97.5 m，平均采深310 m，開采后地表處于走向充分采動(dòng)、傾向非充分采動(dòng)狀態(tài)，地表移動(dòng)和變形有明顯的連續(xù)漸變特征。

3.2 主要巖移預(yù)計(jì)參數(shù)的求取

在煤層傾角α小于50°、充分采動(dòng)條件下，下沉系數(shù)計(jì)算公式如下：q=Wcm/(m×cosа)式中,Wcm為最大下沉值、m為采厚、а為煤層傾角。第一條傾向線采厚3.9 m，最大下沉點(diǎn)Q17下沉值2.992 m，傾角5°，計(jì)算下沉系數(shù)q≈0.77；第二條傾向線采厚5.8 m，最大下沉點(diǎn)Z17下沉值4.435 m，傾角5°，計(jì)算下沉系數(shù)q≈0.77；最終下沉系數(shù)采用兩條傾向線的平均數(shù)為：q=0.77。

圖2 地表移動(dòng)觀測線A線、B線和C線不同時(shí)期下沉曲線圖

水平移動(dòng)系數(shù)為最大水平移動(dòng)值與最大下沉值成正比，實(shí)測的最大水平移動(dòng)值1.469 m和最大下沉值5.106 m，水平移動(dòng)系數(shù)為b=0.29。

圖3 敏東一礦01工作面最大下沉點(diǎn)的地表下沉速度

3.3 地表最大下沉速度分析

煤層開采后，上覆巖層應(yīng)力狀態(tài)重新分布，在采動(dòng)影響下采空區(qū)上方的巖層垮落、開裂、彎曲，并逐步反應(yīng)到地表，引起地表下沉。在此過程中，地表的下沉速度從零逐漸增大，到達(dá)高峰后下沉速度逐漸減小，最后趨于零[3]。地表下沉速度的變化與巖層結(jié)構(gòu)、煤層采厚和開采方法有著密切關(guān)系，通過本次觀測，敏東一礦01面開采期間觀測區(qū)域最大下沉速度達(dá)到了141.9 mm/d，說明在敏東一礦沙層覆蓋下厚煤層綜放開采，地表沉降非常明顯，變形十分劇烈。

3.4 地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間分析

地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間是指地表從最大下沉點(diǎn)開始到移動(dòng)下沉穩(wěn)定的時(shí)間間隔?？蓪⒌乇碜畲笙鲁咙c(diǎn)的移動(dòng)過程分為3 個(gè)階段[4]。

(1)初始期。地表點(diǎn)下沉量達(dá)到10 mm時(shí)為地表移動(dòng)開始時(shí)間，地表點(diǎn)自移動(dòng)開始至下沉速度達(dá)到1.7 mm/d 前的階段稱為移動(dòng)初始期。

(2)活躍期。地表下沉速度大于1.7 mm/d 的階段。

(3)衰退期。地表下沉速度自小于1.7 mm/d時(shí)始至連續(xù)6個(gè)月地表下沉值小于30 mm時(shí)止的階段成為移動(dòng)衰退期[5]。

由圖3分析可以得出，初始期時(shí)長約為20天，活躍期時(shí)長約為140天，衰退期時(shí)長約為45天。地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間約為205天。

4 結(jié) 論

(1)敏東一礦01工作面為走向充分、傾向非充分采動(dòng)工作面，通過擬合分析，得出下沉系數(shù)0.77、水平移動(dòng)系數(shù)0.29。下山邊界角42°、上山邊界角46°、走向邊界角54°，下山方向移動(dòng)角67°、上山和走向方向移動(dòng)角72°，下山方向裂縫角83°、上山方向裂縫角86°、走向方向裂縫角84°。

(2)據(jù)觀測數(shù)據(jù)分析，地表最大下沉速度達(dá)到了141.9 mm/d，大裂縫不發(fā)育。說明在敏東一礦地表沙層覆蓋的草原地區(qū)，上覆松散層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較小，整體承載力較低，尤其在厚煤層開采過程中地表變形強(qiáng)烈，但地表變形整體較為平緩。

(3)敏東一礦基巖為伊敏組地層，上覆由砂和亞黏土組成的第四系，覆巖巖性整體偏軟。根據(jù)觀測結(jié)果，地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間為205天，活躍期占總移動(dòng)期的68%，地表移動(dòng)活躍期相對較長。