賀國偉,郭 劍

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 渭南 714099)

金雞灘煤礦1206工作面為首采工作面,本文通過對該工作面地表觀測站實(shí)測數(shù)據(jù)的分析,研究了地表沉陷移動(dòng)變形規(guī)律,揭示出該礦區(qū)開采地表及復(fù)巖的移動(dòng)變形特征,為礦區(qū)其他工作面的開采、環(huán)境治理及土地復(fù)墾等提供了重要的參考資料。

1 工程概述

金雞灘煤礦位于陜西省榆林市榆陽區(qū)金雞灘鎮(zhèn),礦區(qū)地面主要為灘地和沙丘沙地。區(qū)域位于陜北侏羅紀(jì)煤田北部,與內(nèi)蒙古東勝煤田相連,西達(dá)定邊,與寧夏靈武、鹽池煤田相連,為鄂爾多斯盆地的一部分。各期的升隆運(yùn)動(dòng)都有東部幅度較大的特點(diǎn),形成了自東向西地層由老至新,大致呈北向東帶狀出露的特點(diǎn)。井田內(nèi)地層依次為直羅組Jz2、延安組五段J2y、延安組四段J2y和延安組三段J2y[1-3]。松散層平均厚度70 m,基巖層厚度176 m,基巖層硬度為中硬。首采工作面開采寬度300 m,長度4 548 m,平均采厚5.5 m,采深246 m。

2 地表沉陷特征

研究過程中,分別在工作面的走向主斷面和傾向主斷面各布設(shè)一條觀測線。在采動(dòng)過程中,對傾向觀測線和走向觀測線共進(jìn)行了12次觀測,并且最后幾次觀測數(shù)據(jù)表明,地表已趨于穩(wěn)定。第m次觀測時(shí),n點(diǎn)的地表沉陷計(jì)算公式如下:

(1)

走向觀測線和傾向觀測線繪制的下沉曲線分別如圖1和圖2所示。從圖1可以看出,當(dāng)工作面推進(jìn)151 m時(shí),地表開始形成微小的下沉盆地,地表最大下沉點(diǎn)為A27號,下沉量為108 mm,距離開切眼(A22)75 m,符合一般開采沉陷規(guī)律,即最大下沉值往往滯后于工作面推進(jìn)的位置[4-5]。隨著工作面不斷推進(jìn),地表下沉程度不斷加劇。當(dāng)工作面推進(jìn)210 m時(shí),點(diǎn)A28的下沉速度達(dá)268 mm/d,為最大值,且該點(diǎn)滯后于推進(jìn)邊界120 m左右。隨著工作面不斷向前推進(jìn),該點(diǎn)的下沉趨勢與地表移動(dòng)的一般規(guī)律相符合。當(dāng)工作面推進(jìn)至320 m時(shí),點(diǎn)A23的下沉量發(fā)生突變且大于點(diǎn)A24。走向觀測方向的下沉曲線平底部分不是非常均勻,說明局部地質(zhì)采礦條件對地面沉陷也產(chǎn)生影響。當(dāng)工作面推進(jìn)到898 m以后,走向觀測線上的地表移動(dòng)進(jìn)入衰退階段,最終走向最大下沉值為3 059 mm,傾向最大下沉值為2 707 mm。

由圖2可以看出,地表下沉盆地在靠近邊緣部分較平緩,在采空區(qū)上方附近其值變化大。這說明采空區(qū)邊緣的地表下沉量及傾斜較小,而采空區(qū)上方的地表受煤層大采高(平均5.5 m)、埋深相對較淺(平均埋深246 m)、厚松散層(土層厚度70 m)等因素的影響,沉降量變化較大。采動(dòng)過程中未出現(xiàn)大的臺階,因此下沉曲線的連續(xù)性較好,相對較平滑。

圖1 走向觀測線下沉曲線Fig.1 Subsidence curve of direction observation line

圖2 傾向觀測線下沉曲線Fig.2 Subsidence curve of trend observation line

由于厚松散層抗拉性和剪切性較差,地下采動(dòng)的影響傳到地表后,地表很快出現(xiàn)裂縫。松散層之間的連接性也較差,幾乎沒有凝結(jié)性,抵抗地下采動(dòng)影響的能力較弱,因此很快發(fā)生下沉。隨著開采范圍不斷擴(kuò)大,開采程度不斷加深,松散層自身荷載作用于上覆巖層,導(dǎo)致地表形成二次塌陷,地表沉陷和移動(dòng)更劇烈。

3 地表變形特征

相鄰兩點(diǎn)間的傾斜為:

(2)

式中:in～n+1為相鄰兩點(diǎn)間的傾斜,mm/m;ln～n+1是n號點(diǎn)至n+1號點(diǎn)間的水平距離,m;dn+1，dn分別表示n+1號點(diǎn)和n號點(diǎn)的下沉量,mm。

傾向觀測線的傾斜變化規(guī)律比較明顯,位于采空區(qū)邊界的傾斜值明顯較大,而位于采空區(qū)中部和盆地邊緣的傾斜值較小。由圖1和圖2可以看出,在工作面推進(jìn)540 m時(shí),相鄰點(diǎn)的相對下沉量特別大,傾斜變化劇烈;當(dāng)工作面推進(jìn)774 m之后,各相鄰點(diǎn)之間的相對下沉量變化較小,繪制的傾斜曲線如圖3和圖4所示。

圖3 走向觀測線地表傾斜曲線Fig.3 Surface tilt of direction line

圖4 傾向觀測線地表傾斜曲線Fig.4 Surface tilt of trend line

走向觀測線在開切眼處的傾斜變化和傾向觀測線的傾斜變化規(guī)律不僅明顯，而且符合地表移動(dòng)盆地的傾斜變化一般特征。由圖3可以看出,當(dāng)工作面推進(jìn)320 m時(shí),在開切眼處偏向采空區(qū)一側(cè)的相鄰點(diǎn)之間的傾斜較大;當(dāng)工作面推進(jìn)到629 m時(shí),采空區(qū)內(nèi)的傾斜變化趨于穩(wěn)定;當(dāng)?shù)乇硐鲁练€(wěn)定后,走向線的最大傾斜發(fā)生在點(diǎn)A24—A25處,其值為-44.3 mm/m。傾向線的最大傾斜值為37.6 mm/m.

n+1號點(diǎn)至n號點(diǎn)間的水平變形為:

(3)

圖6 傾向觀測線水平變形曲線Fig.6 Horizontal deformation curve of trend line

由圖5和6可看出,靠近開采邊界兩側(cè)的水平變形較大。走向線上的水平變形最大值為35 mm/m,位于開切眼處的A24處;傾向線上的最大水平變形值為-21 mm/m,位于采空區(qū)中央B25附近。

根據(jù)首采工作面地表的實(shí)際情況,沿走向布置了一條觀測線,這條觀測線可以確定開采過程中啟動(dòng)距的大小。當(dāng)工作面推進(jìn)至151 m時(shí),地表點(diǎn)A27下沉量已經(jīng)達(dá)到102 mm,處于下沉活躍階段，由于下沉曲線趨于一條水平直線，故未在圖中給出。因此,開采過程中的啟動(dòng)距處于100～150 m之間。為了較準(zhǔn)確獲取啟動(dòng)距,根據(jù)前幾次的最大下沉值及對應(yīng)的工作面推進(jìn)距離數(shù)據(jù),利用最小二乘原理擬合出最大下沉值與推進(jìn)距離之間的函數(shù)關(guān)系,并以此確定啟動(dòng)距,參與擬合的數(shù)據(jù)見表1。

擬合后的數(shù)學(xué)模型為:

fx=0.014 79x2-17.16x+1 637 .

(4)

式中:x為工作面推進(jìn)距離,m;fx為最大下沉量,mm。

根據(jù)公式(4),把-10 mm代入上述公式,解得x=105 m,因此啟動(dòng)距為105 m。

表1 地表最大下沉值與工作面推進(jìn)距離Table 1 The maximum surface subsidence and the driving distance of working face

最大下沉速度滯后角與上覆巖層性質(zhì)、工作面推進(jìn)速度及重復(fù)采動(dòng)等因素有關(guān)。掌握地表最大下沉速度滯后角的變化規(guī)律,可以確定回采過程中對應(yīng)的地表劇烈移動(dòng)的時(shí)間和位置,這些參數(shù)對采動(dòng)地面保護(hù)具有重要的實(shí)踐意義。

地表最大下沉速度滯后角與滯后距離的關(guān)系為:

(5)

式中:l為最大下沉速度點(diǎn)滯后工作面的距離,m;h0為煤層的平均開采深度,m,h0=246 m;φ為最大下沉滯后角,(°)。

根據(jù)走向線的下沉速度確定地表最大下沉速度點(diǎn)與工作面推進(jìn)位置的關(guān)系,按式5計(jì)算最大下沉速度滯后角φ,計(jì)算結(jié)果如表2所示,平均值為57°。

表2 最大下沉速度滯后角計(jì)算表Table 2 Calculation table of the maximum subsidence speed and lag angle

傾斜和水平變形值偏大,說明松散層抗拉性較差;啟動(dòng)距偏小進(jìn)一步表明松散層地表受地下采動(dòng)影響較大,采動(dòng)影響傳到地表后,地表立即出現(xiàn)沉陷變形;最大下沉速度滯后角偏大主要受松散層自身荷載作用所致,工作面推過后,上覆巖層開始垮落,由于厚松散層自身荷載,使上覆巖層垮落更嚴(yán)重,導(dǎo)致地表下沉量較大。

4 結(jié)論

厚松散層首采工作面受松散層抗拉性較差和自身荷載等特點(diǎn)影響,使地表沉陷變形量相對較大,走向最大下沉值3 059 mm,傾向最大下沉值2 707 mm,走向最大傾斜值為-44.3 mm/m,傾向最大傾斜值為37.6 mm/m,走向最大水平變形值為35 mm/m,傾向最大水平變形值為-21 mm/m。地表移動(dòng)在走向方向上達(dá)到超充分采動(dòng),在傾向上接近于充分采動(dòng)。