巨厚松散层下煤层开采地表移动规律研究

陈才贤，苏 静，赵忠义

(六盘水师范学院 矿业工程系，贵州 六盘水 553004)

巨厚松散层下煤层开采地表移动规律研究

陈才贤，苏 静，赵忠义

(六盘水师范学院 矿业工程系，贵州 六盘水 553004)

为了研究巨厚松散层下采煤对地表沉陷的影响，以赵家寨煤矿地表移动观测数据为基础，研究了巨厚松散层地质采矿条件下采煤对地表沉降特征、地表最大下沉速度、地表最大下沉速度滞后距以及地表不同阶段移动持续时间的影响，结果表明在巨厚松散层条件下开采，地表下沉系数偏大，接近于1，主要影响角正切值偏小，地表移动范围较大，拐点偏移距较小，地表最大下沉速度滞后距较小，最后得出在巨厚松散层下开采，地表显现出下沉速度加快，活跃期延长而衰退期缩短，地表残余变形减小并且稳定快等特征。

松散层；地表移动规律；地表下沉特征；最大下沉速度；地表下沉系数

关于厚松散层下煤炭开采对地表沉降规律的影响，国内外许多学者做了大量相关研究[1-9]，其中文献[1]主要从地表最大下沉速度、地表移动变形持续时间以及地表最大下沉速度滞后距与滞后角等方面，较详细地论述了厚松散层下煤层开采对地表动态移动变形的影响；文献[2]分析了在厚松散层综放开采条件下，通过对地表下沉速度的研究，得出该区域一些地表动态移动变形的表量参数；文献[3]和文献[4]列举了几个与地表下沉速度有关的地质采矿因素，最后得出开采深度与地表下沉速度成反比，回采工作面推进速度与回采区域内地表最大下沉速度成正比。上述学者虽对厚松散层下煤层开采地表移动规律进行了研究，并得出了重要的研究成果，但其研究范围内的松散层厚度多集中在100～200m之间，对类似于赵家寨矿井田松散层厚度平均616m的地质条件的地表移动规律研究较少。笔者根据赵家寨矿井田采矿地质条件，通过研究巨厚松散层下开采地表移动规律，为相似地质采矿条件的井田开采提供理论参考。

1 采矿地质条件及地表观测站概况

1.1 采矿地质条件

由钻孔揭示的地质资料可知，赵家寨煤矿井田内由第四系、第三系松散层全覆盖，松散层平均厚度达616.25m，主采二1煤层，平均煤厚为6.16m，采用分层开采，开采厚度为3.5m，煤层倾角5.5°，煤层直接顶主要以泥岩、砂质泥岩为主，基本顶主要以细～粗粒砂岩为主。为了研究巨厚松散层下工作面回采引起的地表沉降特征，赵家寨矿11011工作面建立地表移动观测站。11011工作面概况如表1所示，工作面于2010年11月7日开始回采，2012年2月回采结束。

表1 11011工作面概况

1.2 观测站概况

11011工作面地表移动观测线位置布置如图1所示，沿倾向与走向共布置了2条地表移动观测线，其中观测线I，II分别含有测点55和48个。

图1 11011工作面地表移动观测线位置布置

2 地表各沉降特征参数研究

2.1 地表下沉特征研究

地表观测站从2010年10月开始观测，到2013年12月29日观测结束，期间共计观测33次，取得了大量的观测数据。利用投影原理，分别将观测线I与观测线II的最终观测下沉值投影到倾向和走向主断面上，以概率积分法模型为基础，采用最小二乘法，通过对走向与倾向主断面最终下沉值进行拟合，分别得出走向与倾向下沉拟合关系曲线，如图2所示。

综合分析11011工作面倾向主断面和走向主断面曲线拟合结果，最终获得赵家寨煤矿概率积分法预计参数：q=0.9，主要影响角正切tanβ=1.92，拐点偏移距s0=-0.03H0。上述3个主要的概率积分法预计参数，与一般地质采矿条件下有很大的不同，这恰好体现了在巨厚松散层下开采，地表移动变形所特有的规律：

图2 11011工作面走向与倾向最终下沉拟合关系曲线

(1)下沉系数偏大 赵家寨煤矿11011工作面平均埋深为690m，其中基岩厚度为110m，第三、四系松散层厚度为580m，松散层厚度占总体岩层厚度的84%，为典型的厚松散地质特征。而下沉系数的大小与覆岩力学性质有密切的关系。分析原因是由于松散层厚度所占比例大，且岩性较软，一方面，在煤层开采导致的岩层移动过程中，松散层自身不易产生离层裂缝，而是产生了塑性变形，表现为整体下沉的现象；另一方面，由于松散层厚度较大，自重的作用对在岩层移动过程中起控制作用的基岩施加了巨大的压力，从而在一定程度上缩小了基岩层在移动过程中产生的离层以及由于岩石的破碎产生的碎胀性，从而加大了地表的下沉量。

(2)主要影响角正切值偏小 赵家寨煤矿11011工作面回采结束后根据实际观测数据拟合出tanβ值偏小，说明在该地质条件下，地表移动范围较大。分析认为，松散层作为一种介质存在，其物理性质与基岩差异较大，自身具有流变性，而正是这种流变性决定了地表移动范围的扩大，即主要影响半径的增大，从而使得tanβ减小，并且这种趋势随松散层在覆岩所占比例的增大而增大。

(3)拐点偏移距较小 分析认为，由于厚松散层在重力的作用下形成巨大的载荷施加于基岩之上，将开采边界附近冒落的顶板压实，同时悬顶范围也进一步减小，顶板逐渐失去了悬臂的作用，使得拐点由采空区向煤壁方向偏移，此时拐点偏移距逐步减小。当拐点偏移至煤壁内侧时，拐点偏移距为负值。

2.2 地表最大下沉速度的变化特征研究

通过分析11011工作面最大下沉点的下沉速度曲线(图3)，得出11011工作面开采后对应的地表最大下沉速度为24.5mm/d，对比于其他采矿地质条件，最大下沉速度较大，分析原因主要是由于采高较大，煤层开采后形成的采空区空间相应变大，在上覆岩层应力的作用下采空区上方的岩层发生垮落、下沉，同时其上覆巨厚松散层整体结构强度弱，几乎没有承载能力。在上面两部分因素的共同作用下造成地表下沉剧烈程度也相应加大。

A—开始阶段；B—活跃阶段；C—衰退阶段；L—最大下沉速度滞后距图3 最大下沉点的下沉速度曲线

2.3 地表不同阶段移动持续时间分析

地表移动持续时间是指地表最大下沉点从刚开始移动到移动停止所经历的时间。地表移动的强烈程度由地表下沉速度来反映，通常依据地表下沉速度对建(构)筑物的影响程度不同，将地表点的移动全过程分为3个阶段：开始阶段、活跃阶段和衰退阶段，11011工作面地表各阶段移动持续时间及相关数据如表2所示。

表2 11011工作面地表各阶段移动持续时间及相关数据

由表2可知，地表移动变形开始阶段持续时间为68d，其占整个地表移动时间比值为16.3%，而在活跃阶段，其持续时间为206d，其占整个地表移动时间比值达到49.5%，很明显此阶段地表移动变形程度比较大。分析认为，这与该地区的特殊地质条件有关，上述两个阶段由于基岩比较薄，松散层结构强度小，因此地表移动对采动空间尺寸的大小就会比较敏感且剧烈；而在衰退阶段，其持续时间为142d，其占整个地表移动时间比值为34.2%。衰退阶段持续时间主要与松散层内结构有关，尤其是当松散层内有隔水层存在的情况下，松散层内的孔隙水消散较慢，受采动影响持续时间延长[10]。

2.4 最大下沉速度滞后距分析

最大下沉速度滞后现象指的是在地表下沉速度曲线上，地表最大下沉速度点的位置总是落后于工作面一定距离的现象，并且将这段距离称为最大下沉速度滞后距，如图3中的L所示，地表最大下沉速度滞后角指的是回采工作面与地表最大下沉速度点之间的连线和煤层在采空区一侧的夹角，常用φ表示，表达公式如下：

φ=arccotL/Ho

(1)

式中，φ为最大下沉速度滞后角，(°)；L为滞后距，m；Ho为平均采深，m。

由图3可知，在倾向方向上当地表达到最大下沉速度时，此时11011工作面最大下沉速度滞后距为171m，将L=171m，Ho=690m带入式(1)得到φ=69°。由此可以看出，在巨厚松散层条件下，同其他采矿地质条件相比，最大下沉速度滞后距较小，最大下沉速度滞后角较大。分析原因，笔者认为在工作面的回采过程中，由于工作面的采高较大，进而形成较大的开采空间，又由于巨厚松散层的影响，使得上覆岩土体整体结构强度较弱，在煤层采出后，煤层顶板的破坏沉降能很快反映到地表。

3 结 论

(1)在巨厚松散层地质条件下回采，地表下沉系数偏大，接近于1，主要影响角正切值偏小，地表移动范围较大，拐点偏移距较小，地表最大下沉速度滞后距较小。

(2)通过分析最大下沉点下沉速度与工作面之间关系可知，相较于薄松散层地质条件，地表最大下沉速度达到24.5mm/d，明显增大，地表最大下沉速度滞后距为171m，相对较小，说明在巨厚松散层下开采，地表移动较为剧烈，顶板下沉传递到地表所需时间短。由此可以为相似地质采矿条件下工作面回采过程中地表移动剧烈区域的确定提供指导。

(3)在巨厚松散层条件下地表移动持续时间的3个阶段中，相较于薄松散层采矿地质条件，地表下沉活跃阶段时间达到206d，相对延长；而衰退期时间却为142d，相对缩短，说明松散层厚度增加，地表移动变形程度增大，而地表残余变形减小并且稳定快。

[1]徐乃忠，戴华阳.厚松散层条件下开采沉陷规律及控制研究现状[J]. 煤矿安全，2008，39(11)：53-55.

[2]陈祥恩.厚松散层薄基岩下开采地表移动特征[J].煤炭工程，2001(8)：11-13.

[3]陈良松，汪青松，杨永国.巨厚松散层条件下地表移动变形特征[J].煤矿安全，2011，42(8)：168-170.

[4]沈丁一，杨伟峰，赵国荣，等.厚松散层薄基岩煤层开采粘土层的保护作用分析[J].煤炭技术，2010，29(11)：43-45.

[5]阎跃观，戴华阳，Alex Hay-Man Ng.DInSAR动态下沉监测特征点错失问题研究[J].煤炭学报，2012，37(12)：2038-2042.

[6]陈志辉，程晓辉.饱和土体固结压缩和蠕变的热力学本构理论及模型分析[J].岩土工程学报，2014，36(3)：489-498.

[7]李春意，崔希民，郭增长，等.大采深厚松散层开采地表沉陷特征[J].煤炭工程，2008(12)：94-97.

[8]朱广轶，沈红霞，王立国.地表动态移动变形预测函数研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30(9)：1889-1895.

[9]冯月新，胡青峰，邓绪彪，等.多工作面开采地表沉陷动态预测系统研究[J].煤矿安全，2013，44(5)：72-75.

[10]隋旺华，狄乾生.开采沉陷土体变形与孔隙水压相互作用研究进展[J].工程地质学报，1999(4)：303-309.

[11]李建力.大采高工作面回采对地表沉降变形影响测定与研究[J].煤矿支护，2012(3)：33-37，8.

[12]苏仲杰，郭 伟，关月洁.矿山沿陷区新建建筑物可行性分析[J].中国地质灾害与防治学报，2008，19(1)：54-58.

[责任编辑：徐乃忠]

Study of Surface Movement Principle of Coal Seam Mining under Super Thick Unconsolidated Stratum

CHEN Cai-xian，SU Jing，ZHAO Zhong-yi

(Department of Mine Engineering，Liupanshui Teachers College，Liupanshui 553004，China)

In order to study influence that mining under super thick unconsolidated stratum to surface subsidence，it taking surface movement observation data of Zhaojiazhai coal mine as base，the influence that mining to surface subsidence characters，the maximal subsidence speed of surface ，delay distance of the maximal subsidence speed of surface and surface movement time in different stage under super thick unconsolidated stratum geological mining situation，the results showed that mining under super thick unconsolidated stratum，surface subsidence index was larger，it almost equal to one，the tangent value was smaller of the main influence angle，surface movement scope larger，offset distance of inflection point was smaller，delay distance of the maximal surface subsidence speed was smaller，then the following conclusions obtained，mining under super thick unconsolidated，surface subsidence speed accelerate，active period prolonged and recession period shorten，residual deformation of surface became smaller and stable quickly，and so on.

unconsolidated stratum；surface movement principle；surface subsidence characters；the maximal subsidence speed；surface subsidence index

2016-10-17

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.03.018

贵州省教育厅自然科学研究项目(黔教合KY字[2014]283号)；采矿工程省级特色重点学科(黔学位合字ZDXK[2015]9号)

陈才贤(1983-)，男，湖南郴州人，硕士，副教授，从事煤矿开采技术及岩石力学方面研究。

陈才贤，苏 静，赵忠义.巨厚松散层下煤层开采地表移动规律研究[J].煤矿开采，2017，22(3)：59-61，77.

TD325

A

1006-6225(2017)03-0059-03