程顯亮，王依雷，劉月華，王國(guó)文，徐茂恩，高 超，張玉軍，田國(guó)燦

(1.鄂爾多斯市伊化礦業(yè)資源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.中煤科工集團(tuán)開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013)

井下煤炭資源采出后，巖層將自下而上發(fā)生彎曲、下沉和破斷，覆巖移動(dòng)逐層傳播至地表，地表宏觀范圍內(nèi)將發(fā)生下沉，形成盆地，并在開(kāi)采影響范圍內(nèi)出現(xiàn)大面積地表裂縫和沉陷，嚴(yán)重威脅到地面建(構(gòu))筑物的使用安全[1-3]。不同的地質(zhì)采礦條件，地表的移動(dòng)變形程度和范圍等均有一定的差異，對(duì)地面建筑物、水體、環(huán)境等造成的影響也有所不同[4-6]。同時(shí)，地表移動(dòng)變形是一個(gè)動(dòng)態(tài)的移動(dòng)變形過(guò)程，不同地質(zhì)采礦條件下的地表動(dòng)態(tài)變形及劇烈程度均有所差異。對(duì)于生態(tài)環(huán)境比較脆弱、地面零星分布有抗采動(dòng)能力較差的房屋及其它工業(yè)構(gòu)筑物的鄂爾多斯礦區(qū)，研究其地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)變形規(guī)律顯得尤為重要。

本研究針對(duì)內(nèi)蒙古鄂爾多斯母杜柴登煤礦厚基巖、大埋深的地質(zhì)采礦條件，通過(guò)設(shè)置地表移動(dòng)觀測(cè)站，并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，初步掌握了該地質(zhì)采礦條件下的地表動(dòng)態(tài)變形情況，探究了該礦區(qū)的地表動(dòng)態(tài)沉陷規(guī)律。本文所得出的結(jié)論對(duì)指導(dǎo)該地區(qū)今后的“三下”采煤、保護(hù)煤柱留設(shè)、工作面布置與地面建筑物保護(hù)都具有十分重要的意義[7-9]，對(duì)相似地質(zhì)采礦條件地區(qū)也具有指導(dǎo)意義。

1 工程概況

1.1 井田位置與地表特征

母杜柴登井田位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市東勝煤田的西南部，呼吉爾特礦區(qū)的東南部，行政區(qū)劃分隸屬于鄂爾多斯市烏審旗圖克鎮(zhèn)。地表具備典型的高原堆積型丘陵地貌特征，地表全部被第四系風(fēng)積沙所覆蓋，植被稀疏，屬沙漠、半沙漠地區(qū)。區(qū)內(nèi)地形總體趨勢(shì)為東南部較高，西北部較低，最大地形高差為24.1 m。井田內(nèi)受開(kāi)采影響的地面建(構(gòu))筑物和設(shè)施主要有擬建于礦井西部的礦區(qū)專(zhuān)用鐵路、工業(yè)場(chǎng)地進(jìn)場(chǎng)公路、井田東部的油氣井、礦井工業(yè)場(chǎng)地及零星村莊。

1.2 地層概況

井田范圍內(nèi)基本全區(qū)覆蓋有一定厚度的風(fēng)積沙，主要由砂和亞砂土組成，據(jù)鉆孔資料統(tǒng)計(jì)，厚度27.13～135.50 m，平均95.26 m。下部為湖積物，主要由淤泥、各種粒級(jí)的砂組成，厚度一般小于3 m。最上部基巖層屬白堊系下統(tǒng)志丹群，巖性組合為細(xì)砂巖與中-細(xì)砂巖互層；中部屬侏羅系中統(tǒng)直羅組，巖性組合上部為泥巖，中砂質(zhì)泥巖、粉砂巖呈互層;下部為中-粗砂巖，中夾粉砂巖、砂質(zhì)泥巖。侏羅系中統(tǒng)延安組為主要含煤組地層，下部為粗粒砂巖和含礫粗粒砂巖；中部為厚層狀砂巖，薄層粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖；上部為高嶺土質(zhì)膠結(jié)的細(xì)砂巖、粉砂巖，局部相變?yōu)樯百|(zhì)泥巖和泥巖。

1.3 工作面概況

井田設(shè)一個(gè)主水平面和五個(gè)輔助水平面進(jìn)行開(kāi)采，首先開(kāi)采主水平面3-1煤層及以上的2-2中煤層，并將其分別劃分為3個(gè)盤(pán)區(qū)，標(biāo)記為301、302、303和201、202、203盤(pán)區(qū)。將2-2中煤層的201盤(pán)區(qū)和3-1煤層的302盤(pán)區(qū)作為首采盤(pán)區(qū)。30201工作面為盤(pán)區(qū)首采面，地表標(biāo)高+1 279～+1 289 m，無(wú)大的工業(yè)及民用設(shè)施，僅有零星建筑物分布。

首采30201工作面的煤層厚度為3.65～6.22 m，平均煤厚5.21 m，平均煤層傾角為2°，采深620～655 m，平均采深約640 m，設(shè)計(jì)工作面長(zhǎng)度約為240 m，設(shè)計(jì)工作面推進(jìn)長(zhǎng)度約為3 417 m，采煤機(jī)截深0.865 m，日推進(jìn)進(jìn)度為7.785 m。

30202工作面位于井田東南部302盤(pán)區(qū)東翼3-1煤層內(nèi)，緊鄰30201首采工作面，西鄰未開(kāi)采煤體的30203工作面，南鄰井田邊界保護(hù)煤柱，北鄰工廣保護(hù)煤柱線(xiàn)。30202工作面范圍內(nèi)煤層厚度處于4.74～6.32 m之間，平均煤厚5.68 m，平均煤層傾角為2°，設(shè)計(jì)工作面長(zhǎng)度約為268 m，設(shè)計(jì)工作面推進(jìn)長(zhǎng)度約為3 718 m。

2 地表移動(dòng)觀測(cè)站布設(shè)及觀測(cè)

地表移動(dòng)變形是井下煤層開(kāi)采所引起的一個(gè)復(fù)雜且具有一定周期性的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，設(shè)置地表移動(dòng)觀測(cè)站，對(duì)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是認(rèn)識(shí)地表移動(dòng)最為直接的方法[10-11]。由于地表移動(dòng)變形是多種因素綜合影響的結(jié)果，觀測(cè)站的實(shí)地監(jiān)測(cè)可獲取地表移動(dòng)變形的第一手資料。經(jīng)綜合分析后，便可確定各因素對(duì)上覆巖層移動(dòng)的影響規(guī)律，為留設(shè)保護(hù)煤柱和壓煤開(kāi)采設(shè)計(jì)等提供科學(xué)依據(jù)，減少開(kāi)采造成的地面影響和壓煤資源的損失[12]。

母杜柴登煤礦30201和30202工作面地表移動(dòng)觀測(cè)站觀測(cè)點(diǎn)間距設(shè)定為25 m，控制點(diǎn)間距設(shè)定為50 m，測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)為現(xiàn)場(chǎng)混凝土灌注，共布置4條測(cè)線(xiàn)(如圖1所示)，分別為：30201面切眼側(cè)走向半盆地觀測(cè)線(xiàn)(A測(cè)線(xiàn))、30201與30202面聯(lián)合布置傾向全盆地線(xiàn)(BC測(cè)線(xiàn))、30201和30202面切眼側(cè)走向半盆地觀測(cè)線(xiàn)(B測(cè)線(xiàn))、30202面切眼側(cè)走向半盆地觀測(cè)線(xiàn)(C測(cè)線(xiàn))。地表移動(dòng)觀測(cè)站各測(cè)線(xiàn)布設(shè)總長(zhǎng)度約為7 006 m，測(cè)線(xiàn)點(diǎn)數(shù)共計(jì)232個(gè)。

圖1 母杜柴登30201和30202工作面地表移動(dòng)觀測(cè)站分布圖

母杜柴登煤礦地表各觀測(cè)線(xiàn)及觀測(cè)概況如表1所示。

表1 地表各觀測(cè)線(xiàn)概況

3 地表移動(dòng)變形及動(dòng)態(tài)參數(shù)分析

3.1 開(kāi)采過(guò)程中地表下沉與傾斜變形研究

由圖2中A測(cè)線(xiàn)的下沉曲線(xiàn)(觀測(cè)次數(shù)較多，繪制曲線(xiàn)過(guò)程中進(jìn)行了選擇性繪制)可以看出，由于采深較大，下沉速度較小，下沉量增加速率較平緩。隨工作面向前推進(jìn)，地表下沉盆地范圍逐漸擴(kuò)大，地表下沉值也逐漸增大，在A24#測(cè)點(diǎn)～A47#測(cè)點(diǎn)附近出現(xiàn)了最大下沉值，并逐漸趨于平緩，采空區(qū)上方地表出現(xiàn)了下沉盆地的平底。分析其最終下沉曲線(xiàn)，盆地邊緣坡度較小、較平緩，即地表下沉值較小，A45#測(cè)點(diǎn)的地表最大下沉值為1 687 mm。盆地內(nèi)邊緣傾斜變形值較小，A測(cè)線(xiàn)上地表最大傾斜值約為9.72 mm/m(A22#點(diǎn))，地表沉陷具有常見(jiàn)的“盆形”盆地的特征。

圖2 A測(cè)線(xiàn)各次測(cè)量的下沉曲線(xiàn)

3.2 地表移動(dòng)變形動(dòng)態(tài)參數(shù)分析

在此，系統(tǒng)研究了地表移動(dòng)變形的起動(dòng)距、最大下沉速度滯后角、最大下沉速度滯后距、超前影響角、超前影響距等的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，有利于提前確定回采過(guò)程中下沉、傾斜等地表動(dòng)態(tài)移動(dòng)的劇烈程度和工作面的位置關(guān)系，對(duì)地面保護(hù)具有實(shí)踐指導(dǎo)意義[9-11]。

3.2.1 起動(dòng)距

研究地表移動(dòng)的起動(dòng)距可了解地表何時(shí)受井下的采動(dòng)影響，并根據(jù)該規(guī)律指導(dǎo)“三下”采煤工作。由A測(cè)線(xiàn)觀測(cè)并找出地表首次受采動(dòng)影響并出現(xiàn)下沉值為10 mm的點(diǎn)為2017年1月23日，采深記為H0，測(cè)得起動(dòng)距為227.7 m≈0.361H0，即約為埋深的36.1%，基巖厚度的45.9%。

3.2.2 最大下沉速度滯后距與滯后角

研究地表的最大下沉速度滯后距與滯后角可掌握地表何時(shí)受到最大下沉速度的影響，判斷受沉陷影響最劇烈的區(qū)域。

(1)由A測(cè)線(xiàn)A30#測(cè)點(diǎn)得到最大下沉速度為-13.4 mm/d，此時(shí)工作面位于A30#測(cè)點(diǎn)西側(cè)的30202工作面，受相鄰工作面的采動(dòng)影響；在30201工作面內(nèi)部，由A23#測(cè)點(diǎn)得到最大下沉速度為-4.9 mm/d，測(cè)得最大下沉速度滯后距L=319 m，計(jì)算得最大下沉速度滯后角Ф=arctan(H0/L)=63.1°。

(2)C測(cè)線(xiàn)地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)得到最大下沉速度為-15.4 mm/d，測(cè)量得最大下沉速度滯后距L=396 m，求得最大下沉速度滯后角Ф=arctan(H0/L)=57.8°。

(3)BC測(cè)線(xiàn)地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)得到最大下沉速度為-9.0 mm/d，測(cè)量得最大下沉速度滯后距L=387 m，求得最大下沉速度滯后角Ф=arctan(H0/L)=58.4°。

由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)求得的最大下沉速度滯后角可知，該角值的變化范圍為57.8°～63.1°。

3.2.3 超前影響距與超前影響角

受觀測(cè)時(shí)間、測(cè)線(xiàn)長(zhǎng)度、測(cè)點(diǎn)間距的客觀條件限制，應(yīng)用差值法可知：A測(cè)線(xiàn)A21#測(cè)點(diǎn)于2017年1月23日捕捉到地表下沉10 mm，但此時(shí)工作面已經(jīng)推過(guò)并超前于該測(cè)點(diǎn)；后續(xù)A21#測(cè)點(diǎn)、A30#測(cè)點(diǎn)、A33#測(cè)點(diǎn)均有捕捉到地表下沉10 mm，但這些點(diǎn)均是在工作面推過(guò)并超前于地表測(cè)點(diǎn)后地表才開(kāi)始下沉。

母杜柴登煤礦30201與30202工作面平均采深約640 m，同時(shí)覆巖層內(nèi)有多個(gè)厚度大于20 m的堅(jiān)硬砂巖層，該地質(zhì)采礦條件下的超前影響距與超前影響角存在一定的特殊性(超前影響角大于90°)，需要進(jìn)一步實(shí)測(cè)分析、研究后確定。

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的母杜柴登30201與30202工作面的地表移動(dòng)起動(dòng)距、最大下沉速度滯后距與滯后角、超前影響距與影響角，如表2所示。

表2 地表移動(dòng)變形動(dòng)態(tài)參數(shù)

4 結(jié) 論

(1)母杜柴登煤礦30201與30202工作面對(duì)應(yīng)地表共布設(shè)4條觀測(cè)線(xiàn)，總長(zhǎng)度約為7 006 m，測(cè)線(xiàn)點(diǎn)數(shù)共計(jì)232個(gè)，各測(cè)線(xiàn)的觀測(cè)次數(shù)處于33～77次之間。由于埋深較大，地表下沉速度較小，下沉量增加速率較平緩，觀測(cè)得到地表最大下沉值為1 687 mm，最大傾斜變形值為9.72 mm/m。

(2)母杜柴登煤礦30201與30202工作面地質(zhì)采礦條件下的起動(dòng)距為227.7 m，約為埋深的36.1%，基巖厚度的45.9%。

(3)母杜柴登煤礦地表移動(dòng)觀測(cè)站實(shí)測(cè)得到最大下沉速度滯后距L的變化范圍為319～396 m，最大下沉速度滯后角Ф變化范圍為57.8°～63.1°。