薄基岩浅埋深矿区地表开采沉降预测及影响因素分析

郭启琛 李文平 王启庆 杨东东

(中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州221000)

我国西部地区煤炭资源丰富，煤层埋深普遍较浅，顶板基岩较薄，松散层厚度大［1-2］，对于该类矿区已有大量关于保水采煤、覆岩破坏等方面的研究成果问世［3-6］。由煤层开采引起的覆岩破坏并移动传播至地表产生的沉降现象，在薄基岩浅埋深矿区日益严重［7-8］，大量学者分别从数据监测、采煤方法、开采充分性等方面对地表采动裂缝的深度、宽度及影响范围，地表沉降规律以及地表开采沉降的机理、规律进行了深入研究［10-13］，但对于薄基岩浅埋深矿区地表开采沉降直接影响因素的判断，未直接突出地质条件变化的影响。鄂尔多斯某矿区煤层埋深浅(多在200 m 以内)，基岩厚度不大(最薄处不足50 m)，区内构造简单，松散层厚度变化较大。本研究以鄂尔多斯某煤矿23103 首采工作面为例，对地表开采沉降及主要影响因素进行分析。

1 研究区概况

鄂尔多斯某煤矿区地形总体西高东低、北高南低，标高1 183 ～1 405 m，地表主要为风积砂、沙漠地貌，地形可分为堆积地形和侵蚀剥蚀地形两大类。目前矿区主采Ⅱ－3#煤层，埋深约150 m，厚0.80 ～5.96 m，平均厚4.27 m。23103 综采工作面为该矿的首采工作面，该工作面从2014 年9 月2 日开始回采，设计走向长2 163 m，东西宽约260 m(受DF#4断层影响，工作面里段(0 ～228 m 段)宽度缩至160 m)，开采面积约0.53 km2，设计采高4.5 m，煤层倾角0° ～3°，可认为近似水平，煤层顶板埋深约150 m。采用长壁后退式采煤方法进行开采，装备一套综合机械化一次采全高采煤工作面，全部冒落法管理顶板。顶板探查发现:煤层上覆基岩厚度较小，最薄处仅53.92 m，且结构复杂，上部为强风化壳，受构造破坏，岩体完整性差且含水;基岩上覆松散砂层厚度较大，最厚处可达100 m，因此该采区整体具有薄基岩浅埋深特征。

2 地表移动变形监测

分别沿工作面走向、倾向布置了2 条观测线，共154 个观测点，其中走向线布置97 个点，倾向线布置2条，分别有28 个和29 个观测点，测点间距25 m。观测站于2014 年10 月5 日完成首次观测记录，但由于工程进度等问题，观测站布测时工作面已经开始开采，因此B#97～B#71点的原始高程数据是根据1∶ 10 000地形图采用等高线内插法求出的。在B#80点处，即工作面推进228 m 处第二切眼开始，为保障开采安全，工作面暂停开采，2014 年12 月13 日工作面恢复开采，2015年7 月1 日完成最后一次监测，共监测16 次。

3 地表移动变形规律及预测

由于采空区上覆岩层基岩顶部有风化现象，因此砂岩等岩体的力学参数以实测为准，根据采空区上覆地层钻孔资料、岩石力学参数计算的覆岩综合评价系数为0.793，采空区走向长度与采深比(L0/H0)≥0.8，属充分采动。运用概率积分法［14］对矿区地表移动变形的相关参数进行了预测，结果见表1。部分实测数据见图1、图2。

表1 矿区地表移动变形参数预测值Table 1 Surface movement parameters and its prediction values of mining area

图1 23103 工作面走向线动态下沉曲线Fig.1 Dynamic subsidence curve of the strike line of 23103 working face

图2 23103 工作面走向线动态水平移动曲线Fig.2 Dynamic horizontal movement curve of the strike line of 23103 working face

由图1、图2 可知:①随着工作面的逐渐推进，地表下沉逐渐增大，从2014 年12 月13 日第二切眼开始恢复开采后，整体地表观测点随着开采经历一个由开始移动到剧烈移动最后到停止移动的全过程，地表沉降稳定后最终走向方向为半无限开采，倾向方向为下沉盆地，且均达到充分采动。②走向地表沉降量与水平移动量整体动态变化较大，主要由开采速度、上覆岩层性质差异导致，倾向方向地表起伏变化不大，走向方向整体呈北高南低的趋势，累计沉降量未见明显随地表起伏变化而变化。实测地表最大沉降量为3.544 m(点)，最大水平移动量为1.816 m(点)，由于地表采动移动规律与采深、采厚、上覆岩性、工作面尺寸等因素有关，尽管预测值与实测值存在一定的误差，但预测值仍具有一定的精度。

4 矿区地表开采沉降影响因素

由于地下矿产资源的开采使其上方覆盖的岩层失去支撑，平衡条件被破坏，导致岩层产生移动、变形、破坏、塌落。采区上覆岩层的沉降及由此引起的地表移动是一个复杂的过程，受采矿方法、顶板控制、矿体厚度、倾角、开采强度、岩石物理力学性质、地质构造、岩石风化程度等因素的制约［15］。在23103 首采面开采过程中，其顶板岩性变化和开采速度变化较明显，而采矿方法、煤厚、煤层倾角等参数无较大变化，因此该采区的开采地表沉降主要受顶板岩性变化和开采强度(工作面推进速度)的影响。

4.1 松散层厚度及基岩厚度

本研究选取工作面推进至360 ～1 798 m 的区域进行分析，该区域内开采速度较均衡。统计区内钻孔数据，运用ArcGIS 软件绘制出Ⅱ－3#煤层顶板松散层厚度、基岩厚度在工作面内的分布情况见图3。由图3 可知:在工作面360 ～1 798 m 区域内，基岩厚度与松散层厚度呈完全相反的分布形态，在工作面南部，推进至360 m 处，基岩最薄仅达77 m，而松散层厚度最大可达70 m，沿工作面推进方向向北，基岩逐渐变厚而松散层厚度则越来越薄，在工作面内基岩北部厚度可达110 m 以上，松散层最薄约20 m。

运用ArcGIS 软件对高程插值得出的23103 工作面内走向观测点处的基岩厚度曲线和松散层厚度曲线，并将其与工作面走向累计下沉曲线进行对比，结果见图4。由图4 可知:工作面推进至约360 m 处，基岩厚度最小，松散层厚度最大，而对应距离内的地表累计沉降量也最大，达到4.408 m;在约530 m 处，基岩突然变厚，松散层突然剧烈减薄，对应的地表沉降量也骤然减小至3.5 m，之后工作面推进地段基岩逐渐变厚，松散层逐渐变薄但趋势较缓，地表沉降变化虽不明显，但亦同样有减小的趋势，说明该矿区地表沉降受基岩厚度、松散层厚度的影响较明显。

图3 23103 工作面煤层顶板基岩、松散层厚度分布Fig.3 Thickness distribution of bedrock and loose layer above 23103 working face coal seam

图4 基岩厚度、松散层厚度和走向累计沉降量曲线Fig.4 Thickness of bedrock and loose layer and total subsidence curve of the strike line

矿区地表沉降与松散层基岩层厚度比值(HS/HJ)的关系如图5 所示。由图5 可知:当HS/HJ≥0.4时，随着HS/HJ值降低，地表沉降相应减小;当HS/HJ＜0.4 时，随着HS/HJ值变化趋于稳定，地表沉降变化幅度也逐渐减小。因此，在松散层厚度与基岩厚度比值较大的区域应注意煤层开采引起的地表沉降问题。

图5 走向累计沉降量与HS/HJ 的关系Fig.5 Relationship between total subsidence of the strike line and HS/HJ

4.2 开采强度(工作面推进速度)

在开采过程中，工作面顶板支护强度、面积等因素变化较小，因而影响地表沉降的主要因素为开采强度(工作面推进速度)。通过整理开采资料及对应地段的地表观测数据，统计得出工作面推进速度以及随着工作面开采地表动态沉降的最大值。为突出工作面推进速度对地表沉降的影响，选取工作面推进速度变化较明显的320 ～1 798 m 地段进行统计，工作面随着开采强度(工作面推进速度)的增加至平稳，地表最大沉降值也逐渐变大至平稳，在1 592 m 地段由于部分工程因素，开采速度变缓，地表沉降也随之变小，可见该矿区地表沉降受开采强度(工作面推进速度)的影响较明显，为防止地表沉降过大，应严格控制开采强度(工作面推进速度)。

5 结 论

(1)尽管采用概率积分法预测的鄂尔多斯某矿区充分采动的地表沉降值与实测值存在一定的误差，但仍具有一定的可靠性。

(2)矿区地质构造稳定，地表沉降受松散层厚度、基岩厚度以及开采强度(工作面推进速度)的影响较明显，相对而言，开采强度(工作面推进速度)对地表沉降的影响最为显著。

(3)在矿区HS/HJ值较大的地段开采时，为防止地表沉降过大，可适当降低开采强度(工作面推进速度)以保护矿区地表安全。

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