孔素麗，韓永斌，2

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013)

目前，礦區(qū)在開展“三下采煤”工作時，多數(shù)礦區(qū)地表沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)是基于采深小于600 m的淺部開采條件下獲得的，隨著開采深度的增加，地質(zhì)條件和采煤方法發(fā)生了很大變化，礦井開采地質(zhì)力學(xué)結(jié)構(gòu)與淺部開采相比發(fā)生明顯的改變，深部開采地表移動特征也呈現(xiàn)出不同于淺部開采時的地表移動和變形特征[1-5]。如仍采用淺部開采時的巖移參數(shù)，可能造成留設(shè)煤柱范圍外的建(構(gòu))筑物發(fā)生損壞，起不到保護(hù)地面建(構(gòu))筑物的作用。

為研究該地質(zhì)條件下的地表移動變形規(guī)律，自2012年5月，錢家營礦在十采區(qū)7煤層首采2075W工作面上方沿鐵路建立地表觀測站，至2019年10月，十采區(qū)7煤層各工作面回采完畢，獲取了大量的地表移動觀測實(shí)測數(shù)據(jù)。根據(jù)各工作面不同回采時間分別獲取了單一煤層開采下和多工作面連續(xù)開采時的地表移動巖移參數(shù)和角量參數(shù)。通過對實(shí)測數(shù)據(jù)的分析和整理，總結(jié)了該地質(zhì)條件下不同工作面采寬時巖層與地表移動變形特征[6-7]。

1 項(xiàng)目概況

1.1 地質(zhì)采礦條件

錢家營礦十采區(qū)主采7煤層，煤層傾角1°～9°，平均為7°；平均開采厚度4.1 m，開采深度703～734 m，主要為砂土卵石和粘土卵石組成，煤層頂板巖性為深灰色粉砂巖,老頂為淺灰色細(xì)砂巖,底板巖性為深灰-灰褐色粉砂巖。走向長壁式采煤法,全部垮落法管理頂板。

該區(qū)域地表地勢平坦，多為農(nóng)田，煤系地層為第四系沖積層所覆蓋，平均厚度為120 m。

錢家營礦于2012年7月開始回采十采區(qū)7煤層，規(guī)劃開采第一個綜采工作面為2075W工作面，回采時間為2012年7月～2013年4月，之后向北回采2076W綜采工作面，回采時間為2015年7月～2016年5月；2077W綜采工作面位于2076W工作面以北，回采時間為2018年9月～2019年10月。各工作面開采技術(shù)條件如表1所示。

表1 各工作面開采技術(shù)條件

1.2 觀測站概況

區(qū)域地面平均標(biāo)高21.2 m，大部分為農(nóng)田，零星分布樹林和養(yǎng)殖廠，錢呂公路、錢呂鐵路南北方向橫穿工作面，有高壓線和溝渠沿鐵路方向布設(shè)。2012年5月在首采2075W工作面上方沿錢呂鐵路建立一條傾向觀測線。觀測線初始長約3.0 km，共有96個工作測點(diǎn)，平均間距25 m ；觀測線兩側(cè)延伸方向各設(shè)3個控制點(diǎn)，平均間距100 m。后因60～96之間大部分工作測點(diǎn)丟失以及工作面向北規(guī)劃開采，對觀測點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，取1～51號工作測點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)進(jìn)行分析。隨著開采規(guī)劃向北延伸，陸續(xù)新建工作測點(diǎn)14個，至2077W工作面回采時，地表移動觀測工作測點(diǎn)共65個，觀測線長約2.0 km，觀測站布置如圖1所示。

圖1 觀測站布置示意圖

2 地表觀測站數(shù)據(jù)分析

2.1 地表移動觀測站實(shí)測數(shù)據(jù)匯總

觀測站自2012年5月建成，2012年7月進(jìn)行了連接測量和首次全面觀測，至2075W首采工作面回采完畢，工作面上方最大下沉644 mm，地表移動變形較小，地表未發(fā)現(xiàn)明顯的地裂縫，周圍建(構(gòu))筑物和設(shè)施未受到明顯的開采影響。至2076W工作面回采完畢，期間共進(jìn)行了11次水準(zhǔn)測量，受單一煤層連續(xù)開采的影響，地表移動變形劇烈，鐵路路基變形明顯，鐵路部門對鐵路進(jìn)行了維修加固，對路基重新進(jìn)行了起坡壓實(shí)。由于觀測站延續(xù)時間長、工作面連續(xù)開采強(qiáng)度大，地表移動變形破壞較大，部分下沉盆地內(nèi)觀測點(diǎn)遭到破壞或者變形，因此首先對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、平差，之后進(jìn)行實(shí)測曲線的繪制和擬合，擬合后的累計(jì)最大下沉值約為2.0～2.1 m。至2077W工作面和9煤層2096工作面回采完畢，期間共進(jìn)行了17次水準(zhǔn)測量，工作面上方出現(xiàn)了明顯的下沉盆地，由于觀測站周邊大部分為農(nóng)田，地裂縫不明顯，但觀測站周邊建(構(gòu))筑物出現(xiàn)了明顯的損壞，如圖2所示，鐵路線路出現(xiàn)明顯的起伏，鐵路部門對鐵路進(jìn)行多次維修，并對路基重新進(jìn)行墊平、壓實(shí)，至2077W工作面回采結(jié)束，地表擬合累計(jì)最大下沉值約為2.1～2.2 m。各工作面回采后的實(shí)測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 各工作面回采后的實(shí)測巖移參數(shù)

圖2 地表變形照片

2.2 觀測站受工作面開采影響分析

由于地表移動變形劇烈，導(dǎo)致下沉盆地內(nèi)的部分點(diǎn)位損毀，因此在本次實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上擬合后得到各觀測時期的下沉曲線圖，如圖3所示，完整展示了隨著多工作面的接續(xù)開采，地表移動盆地的形成過程。

為了分析整個十采區(qū)地表移動變形特征，以2012年7月首次觀測結(jié)果為初始值，計(jì)算不同工作面回采寬度下地表移動變形情況。2075W首采工作面回采寬度195 m，傾向方向上寬深比為0.29，地表移動變形不大，地表最大下沉值僅為644 mm，體現(xiàn)了極不充分采動的特征；受2076W工作面連續(xù)開采的影響，整個十采區(qū)開采工作面回采寬度累計(jì)增加到400 m，傾向方向上寬深比為0.57，地表移動變形加劇，地表累計(jì)沉降值約為2.0～2.1 m；2077W工作面回采完畢后，工作面回采寬度累計(jì)600 m，傾向方向上寬深比為0.85，觀測地表最大下沉值約為2.1～2.2 m。

2.3 地表移動與變形分布形態(tài)分析

根據(jù)圖3和實(shí)測數(shù)據(jù)，7煤層首采工作面回采結(jié)束后，最大下沉點(diǎn)位于31號點(diǎn)，拐點(diǎn)位于工作面開采邊界外側(cè)36號點(diǎn)和26號點(diǎn)(即最大下沉值的一半位置處)，偏向煤柱方向；2076W工作面回采后，最大下沉點(diǎn)移至26號點(diǎn)，拐點(diǎn)移至工作面邊界外18號點(diǎn)；2077W工作面回采后，由于地表移動變形劇烈，盆地內(nèi)9～25號點(diǎn)塌陷，最大下沉點(diǎn)和拐點(diǎn)位置無法實(shí)測確定，根據(jù)曲線擬合的最大下沉點(diǎn)位于16～17號點(diǎn)之間。綜合分析各煤層回采結(jié)束后，沿盆地主斷面的下沉曲線(煤層傾角較小)大致位于采空區(qū)正上方，基本以最大下沉點(diǎn)為中心對稱分布，下沉曲線拐點(diǎn)向采空區(qū)偏移，拐點(diǎn)處下沉值略大于最大下沉值的一半。

圖3 觀測下沉曲線圖

根據(jù)緩傾斜煤層淺部開采地表移動變形規(guī)律，在非充分采動條件下，地表最大下沉點(diǎn)只有一個，且未達(dá)到該地質(zhì)采礦條件下的最大值。在充分采動條件下，地表最大下沉曲線出現(xiàn)平底，且平底處的下沉值達(dá)到了相應(yīng)地質(zhì)采礦條件下的最大值。當(dāng)采空區(qū)長度和寬度達(dá)到或者超過1.2～1.4H時，地表移動可達(dá)到充分采動。十采區(qū)多工作面受開采寬度的限制，傾向方向表現(xiàn)為非充分采動下的地表移動形態(tài)，即傾向方向上的任意點(diǎn)的下沉值均未達(dá)到該地質(zhì)采礦條件下應(yīng)有的最大值，具體表現(xiàn)為2075W工作面回采結(jié)束后，地表最大下沉值僅644 mm，只占到平均采厚(4 m)的16%；2076W工作面連續(xù)開采后，煤層傾向方向累計(jì)工作面開采寬度增加，地表移動變形范圍擴(kuò)大，地表最大下沉值繼續(xù)增加，最大下沉值約占平均采厚的52%；至2077W工作面回采結(jié)束，累計(jì)地表最大下沉值約占平均采厚的60%，多工作面的疊加開采寬度(590 m)仍小于充分采動條件下所需的最小寬度(1.2H)，地表最大下沉值雖然較之前最大下沉值繼續(xù)增大，但是最大下沉量和最大下沉速度有所減緩，尚未達(dá)到充分采動下地表下沉的最大值。

3 地表移動特征分析

根據(jù)理論研究[8-9]，煤層初次采動時，上覆巖層經(jīng)歷冒落、裂縫和彎曲，巖層原始狀態(tài)遭到破壞，巖層強(qiáng)度減弱。重復(fù)開采時，冒落帶還沒有得到充分壓實(shí)，經(jīng)受初次開采破壞的巖體進(jìn)一步破碎，使得巖層和地表的破壞程度加劇，破壞范圍加大，因此多煤層接續(xù)開采時，邊界角減小5°～10°，移動角減小10°～15°，地表下沉速度增加，移動持續(xù)時間縮短，超前影響角減小，滯后角增大。

由于工作面連續(xù)向上山方向開采，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)計(jì)算了多工作面接續(xù)開采時下山方向綜合邊界角為51°，根據(jù)全面觀測數(shù)據(jù)擬合求取了下山方向綜合移動角為73°，比單一煤層采動時地表移動邊界角略小，基本符合煤層重復(fù)采動下角值的變化趨勢。

隨著開采深度的逐步增大，地表最大下沉值變化不大，而地表移動范圍增大，因此地表各項(xiàng)變形值減小，地表移動變形比較緩慢、均勻，地表最大下沉速度變小，而移動持續(xù)時間較長。

根據(jù)該采區(qū)近十年的實(shí)測資料可知，首采2075W工作面回采結(jié)束后，地表移動變形不明顯，地表未發(fā)現(xiàn)明顯的地裂縫；隨著后期多工作面接續(xù)開采，地表開始出現(xiàn)塌陷和地裂縫。和一般開采條件下的下沉曲線相比[10]，錢家營礦十采區(qū)7煤層開采劇烈活躍期較短，一般只占整個移動時間的10%～15%，實(shí)測下沉曲線下沉值相對集中，綜合移動角值較大；而衰退期時間較長，占整個移動時間的80%～85%，綜合邊界角較小，地表最大下沉速度較小，最大20.9 mm/d，對地面建構(gòu)(筑)物的破壞程度相對較小。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)分析總結(jié)出厚松散層大采深地質(zhì)條件下多工作面接續(xù)開采地表移動的變形特征：隨著工作面的接續(xù)開采，實(shí)測下沉曲線變形分布相對集中，下沉盆地陡峭，地表移動變形主要集中于活躍期，活躍期較短，一般只占整個移動時間的10%～15%，而下沉量占地表總沉降量的90%以上；衰退期時間較長，占整個移動時間的80%～85%；綜合移動角值較大，綜合邊界角較小。