大采深非充分开采地表沉陷规律实测分析

贾新果

(1 煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院,北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室

(煤炭科学研究总院)，北京 100013)；3 北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京 100013)



大采深非充分开采地表沉陷规律实测分析

贾新果1,2,3

(1 煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院,北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室

(煤炭科学研究总院)，北京 100013)；3 北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京 100013)

[摘要]通过在平顶山矿区某矿建立地表移动观测站，获得了非充分开采条件下的地表移动实测数据，对该条件下的地表沉陷规律进行了分析,获得了该条件下的地表移动角量参数和地表移动计算参数。研究结果表明：非充分开采条件下地表沉陷影响范围和沉陷变形值均明显减小，岩层移动各角量参数大于充分开采条件下的角量参数，地表沉陷变形趋于平缓。研究结果可用于指导非充分开采在类似地质采矿条件下的煤矿开采，为解放“三下”压煤提供了依据。

[关键词]非充分开采；地表沉陷；角量参数；地表移动计算参数

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.015

[引用格式]贾新果.大采深非充分开采地表沉陷规律实测分析[J].煤矿开采，2015，20(5)：53-56.

随着采深增加，地表移动影响范围增大，地表移动盆地变得平缓，各项变形值减小[1]。工作面尺寸的大小可影响地表移动盆地特征，一般用充分采动程度，即宽深比D/H0来表示。我国大量实测资料表明[2-7]：D/H0<1.2～1.4时，地表为非充分采动。现有观测资料表明[8]，在厚松散层条件下，采用基岩厚度作为衡量采动程度的标准更符合实际。与充分开采相比，非充分开采地表移动和变形规律发生了很大变化[9-11]，采动程度(采动系数)对地表的下沉起关键控制作用。本文根据平顶山矿区某矿22071地表移动观测站实测资料，分析了非充分开采地表沉陷特征。

1观测站概况

1.1　工作面概况

平顶山矿区某矿22071工作面为该矿东翼采区己组煤的第一个综采工作面。工作面走向长1760m，工作面斜长176m，煤层倾角21°，煤层倾向30°，煤厚7.4m，采高3.6m，采深717～780m。上覆岩层属中硬岩层，其中松散层厚约35m，细中粒砂岩233.54m；其下为泥岩、砂质泥岩、细砂岩、煤层等岩层。直接顶为1.7m厚页岩，基本顶为9.0m厚细砂岩。倾斜方向采动系数n1=0.20，为倾向非充分采动。

22071工作面位于二水平己二采区东翼，西起东翼轨道下山，东止于井田边界保护煤柱线，南为已回采结束的采空区(1995—1996年炮采)，北为原生煤体。对应地表为农田，地势北高南低。开采时间为2005年12月至2007年12月，推进速度约61m/月，走向长壁开采，全陷法管理顶板。

1.2　观测站布置

该观测站测线总长2205m，共布置控制点3个，工作测点73个(图1)。沿工作面走向布置一条走向观测线，测线长1470m，工作测点48个，测点间距30m；在工作面西侧设半条(下山)倾斜观测线，测线长735m，25个测点，测点间距30m。

图1　22071观测站布置

1.3　观测站观测

观测时间为2005年11月至2008年8月，历时34个月，共观测了35次。观测频率视地表下沉速度大小而定。

在连测后、地表开始移动之前，独立进行两次全面观测，两次观测间隔1d，取两次测量数据均值作为各工作测点基准值。地表移动初始期为判定地表是否开始移动，在预计可能首先移动区域，选择几个工作测点，每隔10～20d进行1次水准测

量，发现测点有下沉趋势时，说明地表已开始移动。该段观测从2005年11月至2006年3月，共观测了7次。在地表移动进入活跃期后，重复进行水准测量，观测频率为每隔30d观测1次，该阶段观测从2006年3月至2008年1月，共观测了23次。地表移动进入衰退期后，观测频率为每隔2～3个月观测1次，该阶段观测从2008年1月至2008年8月，共观测了3次。

首次与末次进行全面观测，同时测量下沉及边长，其余监测只进行水准测量。首末次全面观测作业采用三等水准测量、日常观测作业用四等水准测量，严格按三、四等水准测量规范进行作业。平面控制采用1954年北京坐标系，利用GPS进行联测，联测精度按《煤矿测量规程》中地面控制测量一级导线要求施测。观测期间，测线上测点缺失比较严重，走向观测线缺失22个测点，倾向观测线缺失6个测点，但观测数据能基本反映出22071工作面地表沉陷状况。表1为观测线上地表最大移动与变形值，图2、图3分别为倾向观测线和走向观测线的部分实测下沉曲线。

表1　观测线上地表最大移动与变形值

图2　倾向观测线部分实测下沉曲线

图3　走向观测线部分实测下沉曲线

2观测成果分析

在进行观测成果分析前，对野外观测成果再次检查，剔除个别观测误差大的或观测错误的数据。根据每次观测成果计算得到的地表移动和变形值，绘制出各种地表移动和变形曲线图，求取地表沉陷角量参数，并进行地表移动计算实测参数求取，总结移动变形分布规律等。

2.1　角量参数

一般用边界角、移动角、裂缝角等角量参数圈定移动盆地边界，这些角量参数是在充分采动或接近充分采动的条件下求得的，它们反映了地下开采对地表移动的影响程度、大小、范围。为便于与充分开采条件下的地表沉陷规律进行对比，求取22071观测站角量参数时，仍参照了充分开采条件下角量参数的求取方法[12]。

根据实测下沉和水平移动数据及观测站拟合结果求得的观测站角量参数见表2。

由于22071工作面为非充分开采，地表移动变形实测值除倾向观测线上的最大倾斜值超过了3mm/m外，水平变形值和曲率均较小，未达到临界变形值，因此，只求取了下山移动角。上山边界角采用倾向观测线上山方向的拟合下沉值求取，走向边界角采用走向观测线上拟合的下沉值求取。同时表2还列出了平顶山矿区地表移动实测角量参数。通过对比可以发现，充分开采条件下，下山边界角48°，上山边界角60°，走向边界角54°，下山移动角56°。处于倾向非充分开采条件下的22071观测站岩层移动各实测角量参数大于充分开采条件下的角量参数值10°左右。

表2　平顶山矿区[12]与22071观测站岩层移动角量参数对比

注：*为根据拟合数据求取；α为煤层倾角。

结果表明，非充分开采条件下地表沉陷影响范围明显减小；地表危险移动范围也显著缩小，地表沉陷变形则趋于平缓。非充分开采条件下的地表沉陷变形特征对地表建构筑物的保护是十分有利的。

2.2　地表移动计算参数

地表移动计算参数主要有下沉系数q、水平移动系数b、开采影响传播角θ、主要影响角正切tanβ和拐点偏移距S(S左，S右，S上，S下)等。

根据观测站测得的水平移动值和下沉值，采用基于最大-最小蚁群算法的概率积分法计算模型，对倾向观测线和走向观测线数据分别进行了求参(该求参方法已另文讨论，可参考文献[13]，在此不再赘述)，结果见表3，表3中的采动系数 n1=K1·D1/H，其中D1为工作面沿倾向实际长度；H为基岩平均厚度；中硬岩层时，取K1=0.8。拟合结果见图4和图5。倾向观测线拟合中误差M=51mm，相对中误差(相对于实测最大下沉值)为6.1%；走向观测线拟合中误差M=23mm，相对中误差(相对于实测最大下沉值)为5.3%。

在充分开采条件下，平顶山矿区下沉系数q=0.80～0.91，水平移动系数b=0.28～0.36，主要影响角正切tanβ=1.50～1.71，拐点偏移距S大多为负值，偏向煤柱一侧。倾向非充分开采条件下，22071观测站实测地表移动计算参数如下：下沉系数q=0.57，水平移动系数b=0.26，主要影响角正切tanβ下山=2.11，tanβ走向=1.63，拐点偏移距S=-23.0～7.0。非充分开采条件下，下沉系数仅为充分开采条件下的65%左右，水平移动系数b减小了0.07；在非充分开采方向上主要影响角正切值增大约0.6，拐点偏移距S则无显著变化，地表沉陷移动变形趋于平缓。

表3　平顶山矿区部分观测站[12]与22071观测站地表移动计算参数对比

图4　倾向观测线下沉拟合曲线

图5　走向观测线下沉拟合曲线

非充分开采条件下的地表移动角量参数和计算参数较充分采动情况下有很大不同。究其原因，主要是由于非充分开采时，其上覆岩层破坏具有悬臂梁、垮落拱等特征，覆岩移动和变形破坏以岩梁弯曲和煤柱压缩为主，具有整体压缩、均匀移动和变形的特点。地表移动盆地中的地表倾斜值、曲率值和水平变形值相对变小，地表移动盆地上下沉10mm的点(即最外边界点)和危险移动边界的临界变形值如倾斜3mm/m，曲率0.2×10-3/m和水平变形2mm/m的点(即危险移动边界点)相对内移。因此，用这些特征点求取的边界角和移动角等角值参数增大，求取的地表移动计算参数亦相应增大或减小。这对建构筑物的保护是十分有利的，在利用非充分开采地表移动规律时，必须充分利用该特点。

22071工作面南侧存在1995—1996年间回采结束的采空区，该采空区距22071工作面回采已过去了10a的时间，采空区围岩内原始应力平衡状态经受了平衡→破坏→重新分布→新平衡的过程，地表已处于沉陷稳定阶段；22071观测站初期观测数据也说明了这一点。但随着22071工作面的回采，采空区围岩应力暂时形成的平衡状态被重新打破，再一次经历了平衡→破坏→重新分布→新平衡的过程，受采空区“活化”影响，倾向观测线上山一侧观测到的下沉值明显增大，拟合值与实测值相差了142mm，受采空区“活化”影响，引起的地表残余沉陷变形量不容忽视。

3结论

(1)根据平顶山矿区某矿22071观测站实测资料及其分析表明，非充分开采条件下地表沉陷影响范围和地表危险移动范围都显著缩小。

(2)非充分开采时，地表移动变形值减小，移动角增大或者不存在；地表沉陷影响范围减小。因此，在利用《规程》[12]推荐的边界角和移动角进行非充分开采条件下的沉陷变形计算时，需增大边界角和移动角值。

(3)利用《规程》[12]推荐的地表移动计算参数进行非充分开采地表沉陷计算时，需对下沉系数、水平变形系数和主要影响角正切加以修正，具体做法为：减小下沉系数和水平变形系数，增大主要影响角正切值。

[参考文献]

[1]何国清，杨伦，凌赓娣.矿山开采沉陷学[M].徐州：中国矿业大学出版社，1991.

[2]李新颖.非充分采动采区地表移动的规律探索[J].煤炭技术，2007，26(11)：109-111.

[3]张连贵.兖州矿区非充分开采覆岩破坏机理与地表沉陷规律研究[D].徐州：中国矿业大学，2009.

[4]李文昌.梧桐庄矿村庄下深部压煤开采技术研究[D].北京：中国矿业大学(北京)，2008.

[5]易四海，戴华阳，张连贵，等.非充分开采地表下沉率变化规律研究[A].第七届全国矿山测量学术会议论文集[C].2007.

[6]张华兴，郭栋，卢秀林，等.非充分采动地表移动规律[J].煤矿开采，2005，10(3)：58-59，71.

[7]易四海.非充分采动开采地表下沉率变化规律研究——以兖州矿区为例[D].北京：中国矿业大学(北京)，2006.

[8]殷作如，邹友峰，邓智毅，等.开滦矿区岩层与地表移动规律及参数[M].北京：科学出版社，2010.

[9]戴华阳，王金庄.非充分开采地表移动预计模型[J].煤炭学报，2003，28(6)：583-587.

[10]戴华阳，王世斌，易四海，等.深部隔离煤柱对岩层与地表移动的影响规律[J].岩石力学与工程学报，2005，24(16)：2929-2933.

[11]张俊英，黄乐亭.非充分开采组合岩梁柱沉陷理论[A].1999年全国矿山测量学术会议[C].1999.

[12]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京：煤炭工业出版社，2000.

[13]贾新果.基于蚁群算法的开采沉陷计算参数反演[J].工矿自动化，2015(6)：10-13.

[责任编辑：施红霞]

Observation and Analysis of Surface Subsidence Rule of Large-mining-depth Non-full Mining

JIA Xin-guo1,2,3

(1. Safety Branch，Coal Science & Technology Research Institute Co.，Ltd.,Beijing 100013，China； 2.State Key Laboratory of Coal Resource High-efficiency Mining & Clean Utilization，Beijing 100013，China; 3.Beijing Municipal Coalmine Safety Engineering Technology Research Center，Beijing 100013，China)

Abstract：By setting up surface movement observation station in a coalmine of Pingdingshan mining field，surface movement rule of non-full mining was analyzed. Surface movement angle parameters and calculation parameters were obtained. Results showed that surface subsidence influence range and deformation value reduced largely，angle parameters of strata movement was larger than those of full mining and surface subsidence and deformation tended to be gentle. The results could be used to instruct non-full mining under similar condition and provide reference for mining under buildings，railways and water-bodies.

Keywords：non-full mining；surface subsidence；angle parameters；surface movement calculation parameter

[作者简介]贾新果(1980-)，男，河北邢台人，硕士，从事开采沉陷损害与综合防治技术研究工作。

[基金项目]国家自然科学基金青年科学基金项目(51404139)

[收稿日期]2015-03-06

[中图分类号]TD325.2

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2015)05-0053-04