浅埋高强度开采地表破坏特征：以神东矿区为例

郭俊廷，李全生,2

(1.煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京 102209；2.神华集团有限责任公司科技发展部，北京 100011)

采用现场实测与理论分析的方法对神东矿区地表非连续变形及地表移动持续时间进行了研究。阐释了高强度开采的内涵，并提出以地表最大下沉速度、采动损害程度及工作面来压强度作为判断指标。总结了神东矿区基岩全厚切落式和基岩部分破坏式2种岩层移动类型。分析总结了神东矿区地表移动以伴随非连续变形为主要特征的高强度开采规律：地表最大下沉速度达700 mm/d，非连续变形以裂缝与台阶为主；采动裂缝以裂缝带形式发育，主裂缝间距与工作面周期来压步距基本一致，最前裂缝带内主裂缝滞后角约79.8°，地表最宽裂缝滞后角58.2°；裂缝发育条数及宽度与表土性质密切相关，风积沙区裂缝宽度一般小于30 mm，黏性表土区一般大于50 mm，裂缝宽深近似线性相关。本文可为类似开采条件下采动损害控制、地表环境治理、开采设计提供参考。

高强度开采；深厚比；采动裂缝；最大下沉速度；地表移动持续时间

以高强度和浅埋煤层开采为主题，在CNKI数据库中可检索到3 000余条文献，近10多年研究和关注度近似线性增加，每年增加的文献达数百条之多，目前这两个名词尚无确切的定义和分类标准[1]。高强度开采一般是从工作面开采的角度进行阐释，如谭志祥等[2]把较大的推进速度、宽深比、回采率定义为高强度开采；缪协兴将高强度开采的主要特征表述为大采高、尺寸较大和快速推进的工作面；范立民[1]则将高强度开采表述为开采面积大、开采空间尺寸大和工作面开采速度快为主要特征。影响地表移动剧烈程度的因素有覆岩性质和结构、开采深厚比、开采尺寸(宽深比)、工作面推进速度等。采深及上覆岩性差异较大时，同样开采尺寸和推进速度对地表下沉、变形速率的影响会有很大差别，而深部开采时，即便开采速度和开采尺寸较大，地表也未必表现为严重破坏和较大的下沉速度。总体而言，目前对高强度开采的认识着眼于开采特征，如开采空间的长宽高、采面推进的快慢。但高强度开采的实质要反映开采造成覆岩及地表的剧烈影响。为了直观表达高强度开采的特性，本文认为高强度开采应从地表和覆岩移动显现的直观特征进行界定。在地表移动方面，应从地表下沉速度和地表变形量对土地及地表附属物的损害程度进行区别；在覆岩移动方面应结合周期来压动载冲击现象及特征进行界定。高强度开采的直观特性为地表下沉速度大、非连续变形发育或尺寸规模大(表土沙层时除外)、工作面动载系数大或来压强烈等。

在浅埋煤层开采方面，以采深小于150 m、基载比小于1、顶板单一主关键层结构特征和来压有明显动载现象作为浅埋煤层的判断指标，并指出浅埋工作面具有顶板全厚切落，并波及地表的特征[3-6]。同时还指出工作面覆岩仅有垮落带和裂缝带“两带”。而在开采沉陷学中，“两带”高度是指水体下开采时对生产具有影响的破坏性影响区，而裂缝带的主要特征具有较大的变形和破坏，不但具有垂直于岩层层面的裂缝，还具有顺层理面的离层裂缝，对于全厚切落式的覆岩运动特征，显然不再符合传统意义上裂缝带的特征，可看作是规则垮落带。文献[7]给出深厚比小于30时，地表产生非连续变形。而现场实践中，即便深厚比达到60，地表仍有裂缝发育[8]，严格来讲，地表产生非连续变形的深厚比小于30的判断指标，是指松散层较薄的开采条件下，垮落带或裂隙带发育至地表的情形。文献[9]给出深厚比小于20时地表产生非连续变形，是指基岩厚度与采厚之比。浅埋煤层开采地表移动具有下沉速度大、地表裂缝及台阶发育、地表移动变形量大的特性[10-13]；而覆岩移动具有基岩全厚切落、顶板台阶下沉、工作面支架动载大、无离层裂缝、易突水溃沙和冒顶、片帮及压架[5-6,14-18]。因此，除采用特殊开采方式，综合机械化垮落法开采的浅埋煤层均属于高强度开采的范畴。

根据对神东矿区高强度开采相关资料的分析，本文认为高强度开采是指引起覆岩或地表剧烈移动的开采方式，其判断指标可以采用地表最大下沉速度(vmax)、开采深厚比(H/M)、地表裂缝宽度(D)及条数(n)、支架动载及压力显现特征以及急倾斜浅部开采等，上述任一指标显现出较大的开采扰动或损害现象即为高强度开采。根据经验及相关行业规范可采用以下特征或数值进行判断：Vmax>200 mm/d，H/M<30，裂缝带nD>300 mm或D>100 mm且主裂缝间距小于30 m，液压支架工作面阻力大于等于11 000 kN,且动载系数大于1.5或出现压架、顶板台阶下沉大于30 cm等。

1　神东矿区概况

神东矿区是我国具有国际先进水平的西部现代化能源基地，位于鄂尔多斯高原东南部、毛乌素沙漠东南缘与陕北黄土高原北侧接壤地带，包括大柳塔煤矿、补连塔煤矿、榆家梁煤矿等。该区属于侏罗纪陆相地层沉积为主的含煤地层，探明储量2 300亿t，面积12 860 km2。主要地貌单元有沙丘、沙地和风沙河谷。区内大部分属于风沙堆积地貌，植被稀少，冲沟发育，水土流失严重，局部基岩裸露，是典型的丘陵沟壑区。区内有10个可采煤层，厚度2～7 m，倾角1～8°，矿区内煤层普遍埋藏浅，1-2煤层与5-2煤层间距大致为170 m，地表以下平均70 m左右即可见到煤层，在矿区西部边界埋藏深处，1-2煤层距地表也仅 150 m 左右。神东矿区煤层采深一般均小于300 m，平均采深150 m左右，平均采厚4～6 m，工作面长300 m左右，推进速度一般大于10 m/d，上覆岩层受开采扰动大，覆岩破坏高度比相关规程经验公式计算值大[19-20]。工作面液压支架压力较大，周期来压明显，部分工作面存在压架、突水或溃沙事故。属于典型的浅埋深、大采厚、近水平开采条件。

神东煤田地层由老至新为：三叠系延长组(T3y)，中下侏罗统延安组(J1-2y)，中侏罗统直罗组(J2z)、安定组(J2a)，上侏罗统-下白垩统志丹群(J3-K1zh)，新近系上新统红土层(N2)，第四系上更新统马兰组(Q3m)黄土层，第四系全新统(Q4)冲洪积、风积、残坡积物。该区地质构造为总体走向NW330°～SE150°，倾向SW240°的单斜构造，岩层倾角一般3°左右，地层连续，褶皱与断层不发育，属构造简单型区域。区内中下侏罗统延安组为主要含煤地层，岩性多为细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩，少量有泥岩及中粗粒砂岩。岩层裂隙不发育，绝大多数岩石属于半坚硬岩石类型。煤层大部分属单一结构，偶尔含一层至数层夹矸，厚 0.05～0.62 m，岩性为泥炭及砂质泥岩。煤层多属中厚及厚煤层。主要可采煤层包括1-2、2-2、3-1、4-2和5-2煤层。矿区内风积沙、亚沙土、亚黏土及黏土均有分布。

2　矿区地表移动调查及实测规律

2.1　神东矿区地表移动实测规律及特征

覆岩移动特征决定了覆岩破坏程度和地表采动损害程度，覆岩性质和结构、煤层赋存条件、工作面开采尺寸以及工艺是影响覆岩移动特征的主要因素。许家林等将神东矿区覆岩关键层划分为单一关键层和多层关键层，并认为单一关键层结构的滑落失稳是导致浅埋煤层采动损害、顶板台阶下沉和压架的根源[21]。本文根据神东矿区岩层移动及破坏特征将其归纳为基岩全厚切落和基岩部分破坏的移动形式。基岩全厚切落式的主要特征是覆岩,只有垮落带，不存在裂隙带和弯曲带，由顶板直接垮至地表，这也是工作面发生突水、溃沙与地表漏风的主要原因[4,22]；基岩部分破坏的移动形式，以覆岩移动存在“三带”为主要特征。

地表移动观测是掌握地表移动规律的重要手段。根据搜集的相关资料，神东矿区1993～2013年均有地表移动观测站的设置，共建立地表移动观测站20余个。表1列出了部分观测站工作面的基本信息。由表1可知，开采煤层均为近水平，最大采深327 m，最小采深50 m，基岩最大厚度294 m，最小厚度20.5 m，地表下沉速度一般都大于100 mm/d，工作面推进速度一般为8～9 m/d，最大20 m/d，大柳煤塔20604工作面最大开采速度约为30 m/d[23]，属于典型的浅埋深高强度开采煤层。现场调查和地表移动观测结果见图1～4。

表1　神东矿区部分地表移动观测站基本信息(部分矿井)

注：工作面均为综合机械化垮落法开采，煤层倾角0～5°。

图1　大柳塔煤矿52304工作面地表走向下沉曲线

图2　补连塔煤矿12406工作面地表走向下沉曲线

图3　补连塔煤矿12406工作面开采边界地表裂缝(资料来源：文献[24])

图4　活鸡兔煤矿21306工作面压架后塌陷情况(资料来源：文献[25])

现场调查和地表移动观测结果表明，神东矿区地表移动及采动损害特征主要表现为以下几方面。

1) 地表移动剧烈，下沉速度大，下沉量大；地表最大下沉速度一般为300～500 mm/d， 最大下沉速度达到700 mm/d，地表下沉系数一般为0.5～0.7，重复采动条件下一般大于0.7[12]，地表最大下沉一般在3 m左右，见表1。

2) 采动裂缝及台阶发育，裂缝产生周期性明显，主裂缝间距与工作面周期来压步距相当。采动裂缝或台阶随处可见，部分开采条件伴随塌陷坑、台阶地堑，主裂缝及台阶间距一般10～15 m，根据统计，神东矿区工作面周期来压步距为8～25 m，一般为12 m左右。

3) 非连续变形未改变地表下沉曲线形态特征，对下沉影响小。部分采面地表非连续变形与井下沟通，开采影响大。部分浅埋煤层开采直接垮落至地表，地表裂缝位置有漏风现象[26]。

4) 地表移动持续时间短，移动延续时间一般为1.0H0(H0为平均采深，m)左右，见表1，小于文献[27]中经验数据2.5H0。

5) 地表移动观测周期对地表最大下沉速度的准确获取影响大。由图5可知，地表下沉速度随观测间隔时间的增加逐渐减小，间隔1 d与间隔15 d最大下沉速度差值为440-139=301 mm/d，差值约占间隔一天最大值的68%。表1中地表最大下沉速度因受观测间隔时间影响，所列数值并非地表真实最大下沉速度。

图5　补连塔矿31401工作面地表监测点S3不同监测时间间隔下沉速度曲线

2.2　地表非连续变形发育及分布特征

地表非连续变形是神东矿区开采过程中伴随的主要特征，其形式主要有采动裂缝、台阶裂缝、塌陷坑及塌陷地堑(图3和图4)。对于非连续变形，我国学者已进行了一些调查与研究[2,12-13,28-30]。由神东矿区有关地表非连续变形的调查、监测及分析资料可知[28,31]，地表裂缝产生位置及宽度变化规律如下所述。

1) 非连续变形产生具有一定条件。深厚比大于30时，一般不产生较大的台阶裂缝，以采动裂缝发育为主。

2) 地表采动裂缝特性与产生位置密切相关。工作面上方以平行于开切眼的裂缝带形式向前发展，裂缝发育经历“产生→扩展→减小或闭合”的过程；开切眼处裂缝宽度一般较大，以台阶形式显现，基岩厚度较小且覆岩控制层载荷较大时，可能形成塌陷坑[28,31]；运输和回风巷附近地表以台阶裂缝显现为主，随工作面推进向前延展；开采边界位置非连续变形一般只经历“产生→扩展→稳定”的发展过程。

3) 工作面推进方向上，裂缝带随采面推进周期性产生。最前裂缝带内主裂缝平均滞后角79.8°，地表最宽裂缝滞后角约58.2°，相关资料见文献[12]和文献[28]；基岩切落破坏条件下，主裂缝一般位于工作面正上方地表附近，近似垂直传播。

4) 采动裂缝以裂缝带的形式发育。在主要裂缝两侧伴随尺寸相对较小的裂缝，最前裂缝产生位置与覆岩破坏特征关系密切，基岩全厚切落时，裂缝产生位置位于工作面前后5 m左右；基岩部分破坏时，超前工作面产生，超前距离约为采深的0.05倍，见图6。

图6　最前裂缝与工作面相对位置关系

5) 表土性质对非连续发育特征影响显著。黏聚力较小的沙土裂缝条数较多，宽度及间距一般较小，黏性表土层条件下，裂缝条数较少，宽度及间距相对较大，相关资料见文献[28]和文献[32]；风积沙开采区裂缝发育宽度一般小于30 mm，亚黏土或黏土区域，裂缝发育宽度一般大于50 mm(图7和图8)，且台阶裂缝落差较大。风积沙地区裂缝宽深比无明显相关性；黏性表土区域裂缝宽度与深度近似为线性关系，见图9。

图7　补连塔煤矿12406工作面不同位置点下沉速度曲线

图8　大柳塔煤矿22201工作面地表裂缝宽度变化曲线

图9　地表采动裂缝宽度与深度关系曲线

图10　补连塔煤矿12406工作面地表裂缝宽度变化曲线

6) 裂缝发育变化特征与地表下沉速度相似，裂缝的产生受地表变形速度的影响。如图7和图10所示，12406工作面地表点下沉速度两峰值出现的间隔时间内工作面推进约140 m，下沉速度的整个变化周期内，工作面推进距离分别为259 m(B36)和345 m(B37)；裂缝的峰值间隔与整个发育期工作面分别推进120 m、230 m。此外，地表移动达到一定数值时裂缝才产生，这也是地表下沉速度过程大于裂缝发育周期的原因所在。因本文未搜集到补连塔煤矿12406工作面覆岩各岩层的具体厚度与力学性质相关资料，无法判断是否因覆岩中存在2个控制层导致的地表下沉速度、发育的裂缝具有2个峰值。此外，笔者在补连塔煤矿12407工作面地表裂缝调查时发现，裂缝在雨后会再次显现，可能因承受变形能力小、无聚集性的表层风沙掩埋及地表监测点随风积沙受采动过程的“拉伸→压缩→拉伸”影响所致。

3　结　论

1) 高强度开采应以开采对覆岩及地表影响的剧烈程度作为判断标准，并以地表移动剧烈程度、损害等级及工作面来压特征为判断指标，对高强度开采进行界定。

2) 覆岩移动以基岩全部切落式的垮落破坏和基岩部分破坏为移动特征。切落式破坏覆岩仅存在垮落带，不存在裂隙带和弯曲带，地表损害严重，基岩部分破坏以覆岩存在“三带”为主要特征，地表损害程度相对较小。切落式破坏地表裂缝多位于工作面附近，一般不超前产生，基岩部分破坏时地表裂缝超前工作面一定距离产生。

3) 分析总结了神东矿区高强度开采的主要特征。地表移动剧烈，地表最大下沉速度达700 mm/d，地表非连续变形发育，损害严重；采动裂缝发育特征与表土性质密切相关，黏性较小的沙质土，地表采动裂缝尺寸较小，宽度小于30 mm，裂缝条数多，间距小；黏性表土层区，采动裂缝尺寸相对较大，间距大，发育条数相对较少；主裂缝间距与工作面周期来压步距相当；地表最大下沉速度的获取受观测间隔时间影响大，不合理时间间隔会造成对地表移动剧烈程度的错误判断。

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