相邻采空区影响下厚黄土矿区采煤沉陷规律研究

贺国伟，朱永伟，王 涛，吴 迪，郭 剑

(陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000)

当工作面推进到一定距离后，上覆岩层的移动、变形、离层、断裂、垮落等运动由下而上传递到地表后引起沉陷变形，达到一定程度后，对地表植被、水系和建构筑物等造成不同程度影响及破坏[1-3]。针对地表沉陷变形问题，国内外学者从不同视角研究分析了地表沉陷规律，主要归纳为以下几个方面：一是开采工作面特点：大采高、大采深、叠加工作面开采，规则与不规则工作面开采等[4-8]；二是开采方法：一次采全高顶板垮落法、条带开采法、充填开采法和分层开采法等[9-12]；三是地质地形特点：地表薄或厚松散层覆盖开采、薄或厚黄土层覆盖开采、薄或厚基岩层开采、山区开采等[13-15]；四是综合上述二者或三者特点，如厚黄土层大采高、薄基岩层大采高，厚松散层大采高等[16-17]。针对燕家河煤矿8211工作面厚黄土层和相邻采空区特点，以地表观测站实测资料为基础分析了地表沉陷变形的一般规律和参数特征，并与该矿区首采工作面地表移动变形规律进行了对比分析。研究成果对其他类似条件矿井工作面开采地表沉陷规律研究提供了借鉴，以便更好地指导“三下”采煤高效安全开采。

1 工作面概况

燕家河煤矿位于黄陇煤田中部，矿区地层由老至新是：上三叠统胡家村组、下侏罗统富县组、中侏罗统延安组、中侏罗统直罗组、中侏罗统安定组、下白垩统宜君组、下白垩统洛河组、古近和新近、第四系黄土层。

8211工作面南、北分别以保护煤柱线为界。北部相邻为8212工作面，已于2012年11月至2013年8月开采，采长940m，采宽190m；南部相邻为8210工作面，开采时间为2013年12月至2014年4月，采长505m，采宽180m；工作面之间留设7～10m保护煤柱。

8211工作面上方对应地面在彬县新民镇苏村南部，地形为典型的沟、谷切割地貌。工作面煤层底板高程为+520～+540m。工作面采长约772m，采宽约201m，平均埋深549m，开采厚度3.2m。

8211工作面煤层总体呈一东西走向的单斜构造，回采的为8号主煤层。煤层结构简单，煤厚1.8～5.8m,平均厚度5.6m,煤层倾角0°～3°，平均2°，局部含夹矸1～3层，夹矸厚度为0.05～0.3m,岩性为灰色泥岩、炭质泥岩，煤层赋存稳定。煤层顶板主要为泥岩和砂岩互层。底板主要为烟灰-灰色铝土质泥岩，含粉砂岩和小量炭屑。煤系地层上覆岩性为中硬，工作面回采范围内上覆黄土层厚度109m。

2 地表移动观测站概况

8211工作面布设1条半长走向观测线YB，YB线长925m，工作测点间距25m，布设了39个工作测点，包含1个加密点；走向观测线在工作面正上方向下山方向移动18.9m，经过倾向主断面上预计地表最大下沉点，与工作面走向平行。在倾向方向上布设1条全长观测线，兼顾回采结束的8212工作面、8210工作面的叠加影响，南端延长100m，倾向观测线YA线长为1500m，工作测点间距取25m，布设63个工作测点，包含2个加密点。倾斜观测线距离开切眼约413m，与走向观测线垂直相交。8211工作面地表移动观测站布置见图1。

图1 8211工作面地表移动观测站布置

8211工作面开采之前共进行了1次连接测量和2次最初全面观测；采动期间进行了7次全面观测和17次日常观测，获取了大量地表沉陷变形数据。

3 地表移动与变形规律实测分析

3.1 静态地表移动与变形特征

8211工作面停采后，待地表移动变形稳定后量算走向和倾向监测线实测地表移动参数与变形参数最大值见表1。

由表1可知，8211工作面开采后，地表最大沉陷和变形值相对较大，最大下沉值为2357mm，占采高的73.7%，最大水平移动值超该矿区一般工作面的40.1%，最大倾斜和水平变形值分别超出34.1%和203.6%，最大曲率值超出86.3%，可见，8211工作面开采后，地表采动程度高。分析原因是8211工作面开采后，上覆岩层垮落压实采空区后，对走向两侧煤柱形成侧压力，该影响传到地表后，厚黄土层呈现一定整体性向采空区中央移动，在自重作用下对上覆岩层产生更大荷载，该荷载传到走向两侧煤壁后，使煤壁承受更大压力，当该压力超过煤壁的极限承压力后，煤壁会向两侧相邻采空区间隙坍塌充填，煤壁失去支撑力后，加剧了上覆塌落岩石进一步塌陷压实，进而使地表沉陷变形加剧，这一过程实质为非充分开采变为超充分开采。走向方向最大下沉点向谷底方向有较大偏移。

图2和图3分别为8211工作面YB和YA线地表移动变形曲线。由图2和3可得出：地表下沉曲线在倾向上不以采空区中央对称，而是略偏向采空区下山一侧。倾向方向倾斜最大值和零值均向老采空区一侧偏移，走向方向倾斜最大值和零值均沿工作面向推进方向偏移；采空区偏向下山一侧的倾斜值普遍呈现正值。采空区上山一侧的地表移动变形范围和幅度是略大于采空区下山一侧，受煤层倾角影响，厚松散层在移动过程中抗拉能力较弱，在拉伸区域内，地表移动变形程度较大。采空区上山一侧的水平变形和曲率变化幅度较大，而下山一侧变化幅度较小，形成鲜明对比。笔者认为上述现象主要是由下述2个原因导致的：一是受煤层倾角影响，采空区垮落的岩石会滚向采空区下山一侧，形成充填压实，该影响传到地表后，厚黄土层也呈现一定的整体性向采空区下山方向移动，而黄土层抗拉能力较弱，使上山方向一侧对应地表移动变形程度较大；二是与下山方向相邻采空区是2a之前开采形成的，其沉陷变形基本稳定；而与上山方向一侧相邻采空区是1a之前开采形成的，覆岩及地表并未稳定，仍有残余变形。8211工作面开采后，上山一侧煤壁会承受更大的压力，随工作面不断掘进，承受压力越来越大，当工作面开采到424m时，煤壁承受压力超过其极限荷载后，出现了坍塌垮落，受倾角影响，对采空区下山一侧形成充填压实，而与上山方向一侧相邻采空区由于失去煤壁支撑力等作用力后，为恢复原有应力平衡，上覆岩层继续下沉，诱发地表进一步沉陷变形，使其移动变形范围较大。

图2 8211工作面YB线地表移动变形曲线

图3 8211工作面YA线地表移动变形曲线

3.2 动态地表移动与变形规律

8211工作面回采过程中走向和倾向观测线的地表沉陷变形曲线如图4和图5所示，工作面推进过程中地表沉陷变形大、速度快，而且地表沉陷变形范围及程度不断扩大，最终趋于稳定。

图4 8211工作面YB方向动态移动变形曲线

图5 8211工作面YA方向动态移动变形曲线

走向观测线上倾斜值由盆地边界向采空区一侧逐渐增大，且呈现正值，而采空区上方倾斜值呈现正负交替变化，具体值无变化规律可循。在7月8日到8月15日工作面推进过程中，地表最大下沉速度达6mm/d，而8月15日至11月3日之间，最大下沉速度达17mm/d，随后下沉速度变为3mm/d，该速度变化幅度远大于该矿区一般工作面开采最大下沉速度变化。倾向地表下沉曲线不以采空区中央对称，而且采空区中央两侧沉陷变形幅度和范围也不对称，下山方向沉陷变形范围和幅度较大。倾向倾斜曲线也呈现非对称变化状态，上山一侧倾斜值较大，基本偏向采空区一侧，而下山方向一侧倾斜值相对较小，且呈现正负交替。

3.3 地表移动参数分析

3.3.1地表移动角量参数分析

依据地表观测站实测数据，采用图解方法量算出8211工作面回采后走向方向、下山方向和上山方向的边界角、移动角、裂缝角、充分采动角和半盆底长度，具体结果见表2。走向东端半盆地长L3=774.0m，上山半盆地长L2=824.9m，下山半盆地长L1=807.1m，受临采空区和厚黄土层影响倾向边界角、移动角和裂缝角均小于走向对应值，而倾向充分采动角和半盆地长度较大，可见在倾向上地表采动程度高。

表2 地表移动角计算参数

3.3.2 地表移动动态参数分析

8211工作面推进距开切眼100m，地表最大下沉值为13mm，超过了标志地表开始移动变形的临界值，无法精确计算出地表下沉10mm时工作面推进距离，因此将100m视为地表启动距，可见，8211工作面启动距应小于100m。

当8211工作面推进到距开切眼距离为101m，YB33下沉量达到12mm，该点距工作面206m，因此超前影响距为206m，量算的超前影响角为69°26′。在工作面从237.6m推进到355.6m期间，YB30点下沉速度最大，为31.8mm/d，此时地表沉陷变形较为剧烈。根据地表最大下沉速度与地表最大下沉值、开采深度、覆岩性质和工作面掘进速度之间的经验公式

(1)

式中,K为下沉速度系数；Wmax为地表最大下沉值，mm；V为工作面掘进速度，m/d；H0为平均采深，m。

计算出最大下沉速度系数K=1.638，地表沉陷变形已受到临采空区影响。达到充分采动后，最大下沉速度滞后距为224.3m，滞后角为67°46′。地表移动持续时间共550d，其中初始期为25d，占总持续时间的4.5%，地表沉陷量占最大沉陷量的0.9%；地表活跃期持续时间相对较短，为213d，占总持续时间的38.7%，期间地表沉陷量占最大沉陷量的95.9%，下沉量主要集中在该阶段；地表衰退期较长，为312d，占总持续时间的56.7%，但地表沉陷量占最大沉陷量的3.6%。

3.3.3 地表移动预计参数分析

8211工作面开采后走向和倾向地表下沉曲线符合概率积分法预计曲线，可采用概率积分法对其进行预计，但在预计时受临采空区影响使预测曲线与实测曲线存在一定偏差。概率积分法预计所需要的参数：下沉系数q，水平移动系数b，主要影响角正切及拐点偏移距s，见表3。拐点偏移距呈现出较大异常值，走向上拐点偏移距受厚松散层影响偏向煤壁一侧；倾向拐点偏移距受临采空区和大采深影响偏移值较大，大于我国一般矿区的0.05H～0.3H(H为采深)范围[1]。

表3 地表移动预计参数

4 结 论

在相邻采空区和地表厚黄土层影响下，地表下沉、倾斜和水平变形分别超出该矿区一般工作面的40.1%，34.1%和203.6%，地表移动变形剧烈。启动距为100m，最大下沉速度系数K=1.638，地表受采动影响灵敏，上覆岩层移动变形速度快，地表采动程度高。

地表移动开始阶段持续时间较短，下沉量仅占总下沉量的0.9%，活跃阶段持续时间占总时间的38.7%，而下沉量占总量的95.9%，衰退阶段下沉量较小，持续时间较长，此现象与厚黄土层和相邻采空区影响有关。