馮澤偉，浮耀坤，胡振琪，白銘波，石國牟，于秋鴿，李鵬宇，王建文

(1.陜西陜煤陜北礦業(yè)公司 韓家灣煤炭有限公司，陜西 榆林 719300；2.煤炭科學研究總院，北京 100013；3.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；4.中國礦業(yè)大學(北京)土地復墾與生態(tài)重建研究所，北京 100083；5.陜西陜煤陜北礦業(yè)公司 檸條塔煤炭有限公司，陜西 榆林 719300)

黃河中游地區(qū)煤炭資源豐富[1]，但生態(tài)環(huán)境極其脆弱，區(qū)內廣布風沙地貌，地表風沙松散層較厚，流動性強，受采動影響后易產生大量裂隙[2]，加重原本脆弱的土地生態(tài)環(huán)境損害程度，進而危害影響黃河流域中游土地與水資源的關系[3]。晉陜蒙能源金三角地區(qū)因特殊的地質采礦條件與超長、超大工作面尺寸[4]，加劇地表生態(tài)損害[5]。

我國西部礦區(qū)工作面尺寸遠大于中東部礦區(qū)，超大工作面大采高采煤造成地表移動變形的靜態(tài)、動態(tài)沉陷參數(shù)亦不同。郭文兵等探討了西部高強度開采的含義[6]；王鵬[7]、李圣軍[8]研究了神東地區(qū)哈拉溝、韓家灣礦高強度開采地表移動變形特征規(guī)律。王新靜[9]、陳超[10]等揭示了神東風沙區(qū)超大工作面地表下沉盆地具有自修復現(xiàn)象。杜善周[11]對神東礦區(qū)超大工作面開采地表移動變形與地表微生物修復耦合影響作用下的綠色開采技術進行了研究。閆偉濤[12，13]等研究了西部風沙區(qū)超大采高工作面覆巖破壞與地表潰沙的災害特征及其機理。楊俊哲[14，15]針對神東補連塔與上灣的超大采高工作面開展了系統(tǒng)的覆巖破壞高度研究，發(fā)現(xiàn)覆巖損害程度高、破壞范圍大等特點。本研究基于陜北風積沙區(qū)檸條塔礦S12002工作面的地表變形實測數(shù)據(jù)，分析其地表移動變形特征，并且對西部礦區(qū)相似地質采礦條件下地表移動變形參數(shù)進行對比分析，尤其是覆巖結構、地質條件、工作面尺寸等復合因素影響下地表下沉系數(shù)特征。為西部風沙區(qū)超長工作面開采地表移動變形提供一定價值的借鑒。

1 采礦地質條件與地貌特征

檸條塔礦位于陜北礦區(qū)神南煤田，毗鄰毛烏素沙漠邊緣，北接考考烏素溝，區(qū)域內為風積沙地貌，植被稀少，干旱少雨，地勢平緩。檸條塔礦S12002工作面位于井田西南邊緣，工作面北側終采線處與西寧公路毗鄰，主采侏羅紀2-2煤，工作面長3955.95 m，寬344.4 m，煤厚3.6～4.1 m，采高4.1 m，傾角0°27′～2°14′，無斷層，地質構造簡單，賦存穩(wěn)定。工作面埋藏深度170～220 m，平均埋深195 m左右。煤層上覆基巖厚度90～130 m，土層厚度40～100 m，沙層厚度0～10 m。

2 觀測站布設與數(shù)據(jù)獲取

獲取整個工作面地表采動變形過程是一項非常復雜的工作，因此設置地表移動觀測站是最直接、安全、可靠的方法[20]?；谘芯繀^(qū)地形地貌、地質采礦條件與監(jiān)測原則，采用剖面法，布設2條觀測線，點間距均為20 m，走向觀測線(A線)處于S12002工作面中心位置，長1200 m，點數(shù)61個，起點距開切眼2955 m，傾向觀測線(B線)在距離開切眼3155 m的工作面上方，長600 m，點數(shù)31個，兩條測線交匯于點A11(B17)。兩條測線的觀測頻率為每周一次，直至下沉穩(wěn)定結束，走向共計觀測19次歷時234 d，傾向觀測17次歷時209 d。最終選取合理的監(jiān)測期次繪制出地表移動變形特征圖。

圖1 工作面測線布置

3 風沙地貌超長大采高工作面開采地表移動變形特征分析

S12002工作面屬于超長工作面大采高開采，屬于初次采動影響。同時，在西部高強度采礦條件下，地表沉陷變形程度劇烈。

3.1 地表下沉規(guī)律分析

3.1.1 地表下沉

高強度的持續(xù)推進，地表形變不斷變化，快速獲取穩(wěn)定的測線位移數(shù)據(jù)，如圖2所示。走向方向上，由于布設在工作面末端位置。傾向方向上，觀測線位于距終采線800 m處，S12002工作面走向與傾向剖面下沉后，整體呈現(xiàn)“凹”形盆地特征，符合開采沉陷學沉降規(guī)律。

圖2 地表移動下沉曲線

從圖2(a)中走向下沉曲線可知，當工作面回采至3038.6 m時地表出現(xiàn)略微下沉，當回采3234.6 m處，地表下沉量快速增加至2329.6 mm，說明該點上覆巖層產生了破斷下沉。在距開切眼450～650 m，巖層活動劇烈，下沉量變化大且具有輕微震蕩。最大下沉點A2回采3038.6～3332.6 m期間，沉降量最大，累計下沉達到了2330 mm，總累計沉降為2442 mm，距終采線980 m左右，占總沉降量的95%，回采位置正好處于距離終采線720 m處；經充分采動后，最大下沉值基本在2.0～2.4 m。

從圖2(b)中傾向最終下沉線值可知，工作面斷面位置中心點為B17(A11)，在井下回采至3234.6 m，對傾向觀測線部分觀測站產生影響，影響范圍為B3—B28號觀測點，其中影響最大下沉點出現(xiàn)在B14號觀測點附近(距離走向中心線40 m左右，在其右側)，最大下沉量為2311.6 mm，且最大下沉值偏向采空區(qū)方向；在未開采區(qū)下沉影響邊界較小，左側保護煤柱邊界下沉點值為96.1 mm，工作面右側的保護煤柱側出現(xiàn)596.75 mm的下沉量，有一定阻隔效果，但其影響邊界擴展仍舊較大。

3.1.2 水平移動

分析各時期的觀測數(shù)據(jù)獲取走向與傾向方向上的水平移動曲線，分析超大空間高強度開采條件下地表水平移動變化情況，如圖3所示。

圖3 地表移動水平移動曲線

走向方向上在井下回采至3862.6 m，最大正水平移動值417.9 mm，井下回采后3個月，最大負水平移動值832.3 mm；從井下回采結束開始，走向方向上水平移動趨勢漸緩，并趨于穩(wěn)定。

傾向方向上，在工作面不斷推移過程中，鄰近采空區(qū)側產生的變形程度更大，在距中心線-120 m左右，出現(xiàn)最大正水平移動417.9 mm；在距中心線140 m左右，出現(xiàn)最大負水平移動-575 mm。由此可知，相鄰工作面開采即使有20 m保護煤柱，其下沉導致地表移動變形量增加，加之風積沙地貌地表松散，沙土覆蓋，當裂隙貫穿時，極易導致突沙潰沙的風險[10，16]。

綜上分析，陜北風沙區(qū)超長工作面開采具有下沉響應速度快，伴隨工作面回采，地表下沉變化快。從上圖2(a)可知，地表進入超充分采動距離短(0.72H0)，遠遠小于傳統(tǒng)的1.2～1.4(H0)，不同于中東部開采的下沉盆地特征[17]。同時，發(fā)現(xiàn)西部風沙區(qū)超長工作面在傾向方向上的下沉具有向鄰近老采空區(qū)便宜的現(xiàn)象，即使留設保護煤柱其下沉量也占最大下沉量的25.8%，由于工作面埋深淺、開采空間大、地表沙層具有流動性造成的。

3.2 地表動態(tài)變形參數(shù)特征

3.2.1 最大下沉速度

生態(tài)脆弱區(qū)淺埋厚煤層高強度開采，使得地表變形劇烈，下沉速度快等特點。尤其是深厚比越小，地表下沉越大。S12002超長工作面開采下沉速度曲線如圖4所示。

圖4 地表下沉速度曲線

工作面的高強度回采，地表下沉曲線經歷了從小到大、逐漸穩(wěn)定、逐漸衰減的階段。下沉階段內，計算可得每次監(jiān)測期間地表測點的每天平均下沉速度值。走向上最大下沉速度點為24號，下沉速度354 mm/d。

3.2.2 最大下沉系數(shù)

下沉速度與基巖性質、基巖厚度、工作面寬深比、深厚比、基采比、回采速度等眾多因素相關?；诂F(xiàn)場工程情況與實測數(shù)據(jù)分析，求取地表最大下沉系數(shù)K：

K=VmaxH0/CWmax(1)

式中，Vmax是地表最大下沉速度，取354 mm/d；H0為平均采深，取195 m；C為平均回采速度，取14 m/d；Wmax為最大下沉量，取2166.4 mm。

因此檸條塔礦S12002工作面最大下沉速度系數(shù)為2.27。由此看來，生態(tài)脆弱礦區(qū)超大工作面高強度開采下沉速度系數(shù)普遍偏大，其主要影響因素：①地質采礦條件特殊，西部淺埋厚煤層覆巖多為中硬巖層，厚度小，易受采動影響后斷裂；②智能高效化機械采煤技術普及，高強度采煤過程中，地表下沉變形劇烈；③松散層厚度小，力學性質極低，裂隙帶影響至松散土層厚，裂隙發(fā)育至地表，易形成突沙、潰沙風險。

3.2.3 最大下沉速度滯后距

如圖5(a)所示，工作面進入超充分采動后，地表最大下沉速度達到極值，該點距工作面之間的距離稱之為最大下沉滯后距，稱為L。該點與工作面之間的連線與采空區(qū)的夾角稱之為最大下沉速度滯后角，用φ表示。因此，S12002工作面的最大下沉速度滯后距為158.65 m，最大下沉速度滯后角為51.58°。

圖5 最大下沉速度滯后

分析該礦區(qū)地質采礦復合因素，上覆巖層的巖石物理力學性質屬于較硬巖層，深厚比較小，基巖厚度薄、采煤裂隙有可能貫穿基巖層，地表松散層厚度小、力學性質差，同時高強度開采帶來的地表劇烈運動等因素多重影響之下，導致滯后角較大。

3.2.4 超前影響距

工作面前方隨著開采也將受到影響，超前于工作面下沉大于10 mm的范圍稱之為超前影響距[5]。用l表示，其超前影響角度計算公式：

ω=arccot(l/H0)(2)

超前影響可以提前獲悉采煤塌陷盆地提前影響的位置局域，可以科學、合理的預測超前影響區(qū)域，可以提前對地表植被與構筑物進行適當?shù)姆雷o措施。計算數(shù)據(jù)可知該工作面超前影響距為76.7 m，超前影響角為69°，超前影響距離如圖6所示。

圖6 超前影響距離

3.3 地表移動周期

S12002工作面地表活動時間如圖7所示，地表移動活躍階段為54 d，該階段占總下沉量的96%，主要表現(xiàn)為下沉劇烈，地表將產生動態(tài)裂隙，如地面存在建筑物與植被，將受一定程度的影響。

圖7 S12002工作面地表活動時間

分析認為淺埋煤層超長工作面大采高情況下，工作面地表移動活躍期時間短，地表變形劇烈，煤層開采3個月后，地表即進入穩(wěn)定下沉盆地階段，具有地表移動活躍期時間短，下沉量大，采煤塌陷地表損害重的特征。

3.4 地表移動主要預計參數(shù)分析

多年來的實踐研究表明，概率積分法具有實用性強、參數(shù)易于確定等優(yōu)勢[18]?；赟12002工作面實測數(shù)據(jù)，計算實測數(shù)據(jù)獲得超大空間開采概率積分法預計相關參數(shù)。通過實測數(shù)據(jù)計算可得S12002工作面概率積分法預計參數(shù)，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 S12002工作面概率積分法預計參數(shù)

有表1可知，西部生態(tài)脆弱區(qū)上覆巖層分為松散層與基巖層兩種，煤層上覆基巖層起到了關鍵支撐作用，其破斷開裂將直接破壞松散層內部結構穩(wěn)定性；松散層力學性質較差，對基巖載荷較小，一旦基巖破斷嚴重，將會產生突沙潰沙的風險。在超充分采動條件下，下沉系數(shù)受基巖與開采高度影響較大，地勢平緩在一定程度上減弱了水平移動。下沉盆地邊緣較陡，則其主要影響半徑相對較小，主要影響角正切值大。拐點偏移距45.3 m，為0.24H0，在(0.08～0.30)H0之間，上覆巖層屬于中硬覆巖層[20]。

為深入研究西部超大工作面高強度開采的地表移動規(guī)律，收集了榆神府地區(qū)多個超大工作面的地表移動變形實測數(shù)據(jù)，工作面煤層傾角均為0°～5°，屬于近水平淺埋深厚煤層開采。發(fā)現(xiàn)鄰近相似礦區(qū)地質采礦條件下，神東地區(qū)下沉系數(shù)在0.55～0.76，陜北地區(qū)(檸條塔)下沉系數(shù)在0.54～0.59之間，平均值明顯小于神東礦區(qū)。但是水平移動系數(shù)、主要影響角正切與綜合邊界角均大于神東地區(qū)地表移動參數(shù)。這說明陜北礦區(qū)采煤塌陷下沉活動劇烈、地表變形強于神東礦區(qū)、但沉陷盆地影響范圍卻小于神東礦區(qū)。

4 工作面地質條件對地表下沉系數(shù)的影響

不同地質采礦條件下，對地表移動參數(shù)有不同程度的影響，尤其是超長工作面大空間范圍與地質采礦條件間的復合因素影響。由表2數(shù)據(jù)，基于目前西部淺埋深超長工作面條件下地表變形實測數(shù)據(jù)進行分析，對下沉系數(shù)與寬基比、基采比、松采比之間的關系進行討論。寬基比為工作面寬度與基巖累厚比，基采比為基巖累厚與采高之比，松采比為松散層厚度與采高之比。

表2 地表移動參數(shù)分析

由圖8—圖10可知，下沉系數(shù)與地質采礦條件變化有一定的相關性。對于西部淺埋煤層超長工作面大采高開采條件下沉系數(shù)，受上覆基巖厚度與工作面尺寸影響較大，線性對比分析后。發(fā)現(xiàn)當基采比大于20時，下沉系數(shù)集中在0.55～0.7之間；當寬基比大于4時，下沉系數(shù)較大；當松采比越大，下沉系數(shù)越小，其相關性達到了0.74，存在明顯相關性。表明松散層厚度比采高越大，其下沉系數(shù)越小，這是因為松散層物理力學性質較弱，松散程度高，不具備粘合壓縮，覆蓋于地表更有效減緩下沉程度。

圖8 下沉系數(shù)與基采比

圖9 下沉系數(shù)與寬基比

圖10 下沉系數(shù)與松采比

分析認為：寬基比是影響西部淺埋超長工作面大采高開條條件下下沉系數(shù)的主要因素。地表下沉受基巖強度、采動程度、采高、工作面尺寸復合多因素耦合影響。西部地區(qū)淺埋煤層基巖碎脹性較低，地表松散層較厚，且多為土沙。加上大采高快速回采的影響，下沉曲線在邊界快速收斂，下沉盆地明顯，較早出現(xiàn)最大下沉范圍。

5 結 論

1)陜北風積沙區(qū)超長工作面地表移動變形劇烈，下沉速度快，下沉量大，地表下沉呈非連續(xù)性震蕩波動。

2)陜北風積沙區(qū)超大工作面下沉盆地影響范圍小，邊界處地表下沉收斂快，坡度陡，水平變形大，基采比小于20易產生地表裂縫。

3)獲得了陜北風沙區(qū)淺埋煤層超長工作面最大下沉速度354 mm/d，下沉速度系數(shù)為2.27；超前影響距為76.7 m，超前影響角為69°；最大下沉滯后距158.65 m，最大下沉速度滯后角為51.58°，地表活躍期時間54 d等地表變形動態(tài)參數(shù)，表明該地區(qū)開采過程下沉劇烈，下沉速度快，沉陷量大，邊界處下沉收斂快，具有明顯的高強度開采損害特征。

4)西部風積沙超長工作面下沉系數(shù)與地質條件采礦參數(shù)存在一定的相關性，發(fā)現(xiàn)當覆巖松采比越大時，下沉系數(shù)越小，松散層具有一定減緩下沉的作用；寬基比越大，下沉系數(shù)越大。