巨厚白垩系砂岩下地表移动规律观测研究

余学义，刘俊杰，郭文彬，许文强

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.教育部西部矿井开采与灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)



巨厚白垩系砂岩下地表移动规律观测研究

余学义1,2，刘俊杰1,2，郭文彬1,2，许文强1,2

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.教育部西部矿井开采与灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)

[摘要]针对彬长矿区开采煤层覆岩上段厚黄土层、厚洛河组砂岩的特殊条件，在亭南煤矿进行了地表移动观测。观测数据分析表明，洛河组砂岩对地表移动变形起着控制作用，在极不充分开采条件下，地表移动很小，下沉率仅为0.046，地表变形微弱，不会对地表建筑设施造成损坏；在接近充分采动条件下，地表移动增幅较大，变形明显，下沉率达到0.22，但远未达到最大下沉值；非充分采动沉陷范围与充分采动基本一致，黄土层的移动角大小取决于黄土层厚度和坡度。

[关键词]白垩系砂岩；地表移动；非充分采动；角值参数

彬长矿区开采的4号煤层属于黄陇侏罗纪煤田，从煤层顶板至地表，覆岩赋存顺序依次为侏罗系延安组、安定组，白垩系，新近系，第四系。开采煤层覆岩结构特殊：白垩系砂岩厚度一般均在100～300m范围，在亭南二盘区观测区洛河组砂岩厚度为231.46～312.80m；地表为黄土残塬地貌，沟壑切割严重。洛河组巨厚砂岩位于开采煤层覆岩上段、岩性较硬，其对地表沉陷起控制作用，表土层厚度及地形对地表移动变形也影响较大[1-2]，地表移动特征是表土层与洛河组砂岩运动的耦合结果[3-8]。针对彬长矿区这种特殊地层结构条件下地表移动规律的观测研究不多，已有的观测研究均在单一工作面开采条件下进行[9]。本文通过对亭南煤矿连续开采2个工作面的地表移动观测数据分析，给出彬长矿区白垩系巨厚洛河组砂岩和黄土沟坡地表条件下的地表移动规律，为彬长矿区的开采损害防治提供可借鉴的参数。

1观测区地质地形条件

观测区为亭南煤矿二盘区204，205工作面。205为204接替工作面，工作面之间留有30m区段煤柱。开采侏罗系4号煤层，煤层平均厚度17m，倾角2°，煤层埋深475～693m，平均575m。204，205工作面宽度均为200m，采用分层综采方法开采，分层开采厚度为5～6m。根据钻孔数据，观测区洛河组砂岩厚度为231.46～312.80m。地表为黄土沟壑地形，黑河流经开采工作面对应地表中、北部。

2地表移动观测站布设

受地表地形及黑河河道影响，在开采影响地表范围布置2条倾斜观测线。A线距205工作面开切眼300m，沿倾斜方向投影长度840m，布设A1～A27共27个测点，测点间间距30m；B线距204工作面开切眼175～487m，沿倾斜方向投影长度784m，布设B1～B31共31个测点，测点间间距30m。观测站布设见图1。

图1　地表移动观测站布设

3204工作面开采地表移动规律

根据B观测线观测数据分析，204工作面开采后，地表移动分布如图2所示。最大下沉值Wmax=246mm，下沉率q′=0.246/5.3=0.046。最大水平移动为u=83mm，最大水平移动与最大下沉的比值b=0.083/0.246=0.337。地表未出现裂缝破坏，地表变形破坏在Ⅰ级范围内，黄土沟壑边坡稳定。根据极不充分采动条件分析[10]，工作面的东北塬面位置，开采宽度与开采深度之比小于1/3，属于极不充分采动；而位于河滩和沟坡的部分，埋深浅，为非充分采动。但是受洛河组砂岩控制作用，204工作面开采后地表移动变形值均小于临界变形值，综合边界角为56.5°，地表移动变形表现为极不充分特征。地表移动变形最大值见表1。

图2　B线地表移动分布规律

变形参数绝对值最大值临界变形值i/(mm·m-1)2.90±3.0K/(10-3·m-1)0.13±0.2ε/(mm·m-1)0.76±2.0

4204，205工作面开采地表移动规律

205工作面开采后，开采宽度达到430m，属于接近充分采动条件[11]的非充分采动。205工作面开采期间对地表A，B 2条观测线进行了观测，根据观测数据对比计算分析，获得了地表移动基本规律及其参数。

4.1A线确定的地表移动参数

A线观测的地表点下沉与水平移动规律，如图3所示。地表下沉最大值Wmax=900mm，位于A27点，距开采边界150m。下沉率q′=0.9/5.5=0.16。地表最大水平移动值达到u=187mm，位于A21点，距开采边界-30m，最大水平移动与最大下沉的比值b=0.187/0.9=0.207。

应用插值法确定了地表综合边界角为56.05°，地表综合移动角为65.67°。

图3　A线地表移动分布规律

4.2B线确定的地表移动参数

B线观测的地表点下沉与水平移动分布规律，如图2所示。地表下沉最大值Wmax=1177mm，位于B6点，距开采边界-172.7m，下沉率q′=1.177/5.3=0.22。地表最大水平移动值达到u=-687.2mm，位于B13点，距开采边界-26m，最大水平移动与最大下沉的比值b=0.6872/1.177=0.58。

同样应用差值法，确定地表综合边界角为54.11°，综合移动角为61.12°。

4.3黄土层和基岩的移动角值分析

如图4，求得松散层边界角和基岩边界角的函数关系如下：

hcotφ+Hcotδ0=L

(1)

式中，h为边界点处松散层厚度，m；H为边界点处基岩厚度，m；φ为松散层边界角，(°)；δ0为基岩边界角，(°)；L为边界点到开采边界的水平距离，m。

图4　松散层边界角和基岩边界角的关系

根据式(1)，以A线、B线为基础建立关于边界角的联立方程式(2)、(3)，由于A线、B线所在区域基岩岩性相同，厚度大致相等，因而由A线确定的基岩边界角和由B线确定的基岩边界角是相等的，即均为δ0，同理A线、B线确定的基岩移动角也是相等的，均为δ。

hAcotφA+HAcotδ0=LA

(2)

hBcotφB+HBcotδ0=LB

(3)

式中，hA，HA，LA，hB，HB，LB为已知量，其分别为：两观测线边界角、移动角位置的土层厚度、基岩厚度和距开采边界的距离，φA，φB，δ0为未知量；φA，φB分别为A，B观测线土层移动角。

参照上述关系式，得松散层移动角和基岩移动角的函数关系为：

h′cotφ+H′cotδ0=L′

(4)

式中，h′为临界变形点处土层厚度；H′为临界变形点处基岩厚度；φ为土层移动角，一般情况下土层边界角和移动角相等；δ为基岩移动角；L′为临界变形点到开采边界的水平距离。

以A，B观测线为基础建立关于移动角的联立方程：

hA′cotφA+HA′cotδ=LA′

(5)

hB′cotφB+HB′cotδ=LB′

(6)

式中，hA′，HA′，LA′，hB′，HB′，LB′为已知量，φA，φB，δ为未知量。

综合以上2个联立方程，即可以解出φA，φB，δ0，δ值。求得φA=42°，φB=45°，δ0=56.5°，δ=65.7°。相关角值参数见图2、图3中标注。

5地表移动变形特征分析

对比分析表2中204和205工作面开采地表移动参数特点如下：

(1)204工作面开采地表移动很小，下沉率仅为0.046，地表变形在Ⅰ级范围以内，尽管开采条件属非充分采动，但是地表移动变形表现为极不充分开采地表移动变形特征，主因是巨厚洛河组砂岩位于覆岩上段，将下位岩层移动变形转变为洛河组砂岩的挠曲变形，204一个工作面开采时，地表移动变形是洛河组砂岩的挠曲变形的基本形态。

(2)205工作面开采后，已接近充分采动条件，地表移动增幅较大，下沉率达到0.22，变形明显，综合移动角达到61.12°，但地表下沉值远未达到该条件下的最大下沉值，同样说明巨厚洛河组砂岩对地表移动变形起着控制作用。

(3)由图2、图3对比205工作面开采A，B观测线地表移动和松散土层厚度、坡度变化， A线一侧松散层厚度为0.5～26.2m，B线一侧松散层厚度为115m，在较大厚度黄土层重力加载作用下，B线一侧下沉率要大，即qB′>qA′；受松散层厚度及坡度影响，松散层厚度越大、坡度越缓，松散层移动角越大，φB>φA；B线观测表明204工作面开采与205工作面开采引起地表沉陷范围基本一致，说明在巨厚洛河组砂岩控制条件下，非充分采动的影响范围接近于充分采动条件下影响范围。204和205工作面观测线地表移动参数对比见表2。

表2　地表移动参数对比

6结论

(1)根据204和205工作面开采地表移动观测数据分析得出，在极不充分采动条件下的下沉率为0.046，综合边界角为56.5°；接近充分采动条件下的下沉率为0.22，综合边界角为54.11°，综合移动角为61.12°；采用解析法得出基岩移动角、边界角分别为65.7°，56.5°；开采区东侧厚而平缓黄土层移动(边界)角为45°，西侧缓坡薄土层移动(边界)角为42°；非充分采动沉陷范围与充分开采基本一致。

(2)巨厚洛河组砂岩控制着地表的移动变形。开采煤层上覆岩层移动变形发育到洛河组砂岩时，这种移动变形转变为洛河组砂岩挠曲变形，地表移动变形受洛河组砂岩的挠曲变形控制。

(3)地表黄土层厚度、坡度对地表移动影响较大。黄土层厚度越大，重力加载越大，下沉率也越大。黄土层厚度大、坡度缓条件下黄土层移动角

相对较大；黄土层薄、坡角大条件下黄土层移动角相对较小。

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[责任编辑：施红霞]

Surveying of Surface Movement Rule with Giant Thick Cretaceous Sandstone

YU Xue-yi1，2，LIU Jun-jie1，2,GUO Wen-bin1，2，XU Wen-qiang1，2

(1.Energy & Resource School，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；2.Education Ministry Key Laboratory of West Mine Mining & Disaster Prevention，Xi’an 710054，China)

Abstract：On the basis of thick Luohe formation sandstone and thick loess layer of upper overburden of mining coal seam of Binchang coal mine district，surface movement of Tingnan coal mine was surveyed.The results showed that surface movement deformation was controlled by Luohe sandstone，surface movement was small under extremely inadequate mining，subsidence ratio was only 0.046，surface deformation was small，buildings on surface would not be destroyed，surface movement increased obviously under nearly extremely adequate mining，subsidence ratio reached 0.22，but its smaller than the maximal subsidence value，mining subsidence scope was consistent basically between inadequate mining and adequate mining，the value of loess layer movement angle depend on loess layer thickness and slope.

Key words：cretaceous sandstone；surface movement；inadequate mining；angle parameter

[收稿日期]2015-08-19

[基金项目]高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20106121110003)；陕西省自然科学基金(2011JS005)；陕西省岩层控制重点实验室项目(13JS066)

[作者简介]余学义(1955-)，男，陕西定边人，教授，博士生导师，从事采动损害及防护方面的教学与研究工作。

[中图分类号]TD325.4

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)02-0015-03

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.02.005

[引用格式]余学义，刘俊杰，郭文彬，等.巨厚白垩系砂岩下地表移动规律观测研究[J].煤矿开采，2016，21(2)：15-17，14.