敏东一矿沙层覆盖下厚煤层综放开采地表移动规律研究*

孙来华,张 峰

(1.内蒙古蒙东能源有限公司,内蒙古 呼伦贝尔 021000;2.中煤科工生态环境科技有限公司唐山分公司，河北 唐山 063012;3.中煤科工集团唐山研究院有限公司,河北 唐山 063012)

井工煤矿开采过程中，岩层产生的移动和破坏从下部发展到地表，使地表产生移动和变形，形成一个范围比煤炭采空区大得多的地表移动盆地，处于移动盆地不同区域的地表可能产生裂缝、隆起等损害，地表损害产生的位置及大小与第四系厚度、性质以及变形值大小等因素密切相关[1]。厚煤层综放开采已成为我国现代化高产高效集约化矿井的主流采煤方法，该方法采高大、推进速度快，造成的覆岩破坏和地表沉降变形剧烈，环境破坏尤为严重[2]。为了掌握我国东部草原沙层覆盖下的厚煤层综放开采地表变形规律，本文根据敏东一矿01工作面开采期间地表移动变形观测站的实测数据，对地表移动规律进行研究和分析。

1 区域地质条件

敏东一矿位于大兴安岭山地西北坡，地处大兴安岭丘陵向呼伦贝尔高平原的过渡带，地势由东南向西北倾斜，海拔标高一般680～740 m，相对高差60 m 左右。最高点位于矿区东南部，海拔标高781 m；最低点位于矿区西北边界，海拔标高644 m，最大高差137 m。地貌形态类型为丘陵。

丘陵分布于矿区绝大部分地段，为矿区主体地貌类型。地形变化不大，呈由东向西降低的单倾斜趋势，地形坡度较小(5～10°)，海拔标高680～740 m。地表被第四系地层所覆盖，工作面区域第四系厚度为67.4 m，以黄色细沙为主，地表草原植被生长良好。

煤层上方的基岩为伊敏组地层，岩性主要为灰-灰白色砾岩，灰-深灰色粉砂岩、泥岩，灰-浅灰色细砂岩、粗砂岩、含砾粗砂岩、中粒砂岩等。岩石多为凝灰质胶结，较松散。第四系全区覆盖不整合于伊敏组地层之上，上部为一套浅黄、黄褐、灰黄色的细砂；下部则为一套灰白、灰褐色的砂砾石、局部有亚粘土；厚度变化较大，最小为17.00 m，最大为116.70 m，平均为58.00 m。最厚地带位于本区西南部，由此向东、东北逐渐变薄。覆岩岩性整体偏软。

2 工作面条件及地表移动观测站布设

(1)工作面条件。敏东一矿01工作面走向长度1 380 m，倾向宽度197.5 m，煤层开采厚度3.9 m、5.8 m，回采工作面地表平均标高693.0 m，平均采深310 m，煤层走向240°，倾向330°，回采工作面走向90°，煤层平均倾角5°。工作面回采时间2012年4月～2014年2月，该工作面开采方式采用综采放顶煤开采，全部垮落法管理顶板。工作面上方地表较为平坦，无河流、无塌陷积水坑。

(2)地表移动观测站布设。为准确获取敏东一矿地表移动参数，依据地层特点、地形及地物情况，按照《测量规程》及开采沉陷预计结果，进行了岩移观测站布设，该观测站观测线共布设3条，沿走向主断面布设一条走向观测线A线，且与工作面走向平行。沿倾向方向由于采厚不同，为此在采厚3.9 m的区域地表布设倾向观测线C线、在采厚5.8 m的区域地表布设倾向观测线B线，且倾向线均与走向线垂直；走向观测线长度2 080 m，倾向观测线总长度为2 084 m。

图1 敏东一矿工作面与地表移动观测站平面位置关系

3 地表移动观测结果分析

3.1 地表沉陷盆地特征分析

从开始回采进行地表移动观测至01工作面停止开采后4个月，共全面观测27次，取得了大量的实测数据。地表走向移动观测线A和倾向观测线B、C的下沉曲线如图2所示。下沉曲线图中横坐标轴代表测点编号，走向A线沿工作面长轴布置，在工作面推进方向点号数字从小到大排列。倾向线垂直于工作面长轴布置，点号数字由南至北从小到大排列。

根据下沉曲线分析，由于01工作面开采煤厚的变化，走向下沉曲线A线出现了明显起伏，但开采形成的地表移动盆地在走向方向上出现了明显的盆底特征，下沉剖面形状类似盘形，符合充分采动盆地特征。倾向上下沉曲线B线和C线剖面形状类似V形，均无明显底部特征，属于非充分采动。01工作面走向长度1 380 m，倾向宽度197.5 m，平均采深310 m，开采后地表处于走向充分采动、倾向非充分采动状态，地表移动和变形有明显的连续渐变特征。

3.2 主要岩移预计参数的求取

在煤层倾角α小于50°、充分采动条件下，下沉系数计算公式如下：q=Wcm/(m×cosа)式中,Wcm为最大下沉值、m为采厚、а为煤层倾角。第一条倾向线采厚3.9 m，最大下沉点Q17下沉值2.992 m，倾角5°，计算下沉系数q≈0.77；第二条倾向线采厚5.8 m，最大下沉点Z17下沉值4.435 m，倾角5°，计算下沉系数q≈0.77；最终下沉系数采用两条倾向线的平均数为：q=0.77。

图2 地表移动观测线A线、B线和C线不同时期下沉曲线图

水平移动系数为最大水平移动值与最大下沉值成正比，实测的最大水平移动值1.469 m和最大下沉值5.106 m，水平移动系数为b=0.29。

图3 敏东一矿01工作面最大下沉点的地表下沉速度

3.3 地表最大下沉速度分析

煤层开采后，上覆岩层应力状态重新分布，在采动影响下采空区上方的岩层垮落、开裂、弯曲，并逐步反应到地表，引起地表下沉。在此过程中，地表的下沉速度从零逐渐增大，到达高峰后下沉速度逐渐减小，最后趋于零[3]。地表下沉速度的变化与岩层结构、煤层采厚和开采方法有着密切关系，通过本次观测，敏东一矿01面开采期间观测区域最大下沉速度达到了141.9 mm/d，说明在敏东一矿沙层覆盖下厚煤层综放开采，地表沉降非常明显，变形十分剧烈。

3.4 地表移动持续时间分析

地表移动持续时间是指地表从最大下沉点开始到移动下沉稳定的时间间隔。可将地表最大下沉点的移动过程分为3 个阶段[4]。

(1)初始期。地表点下沉量达到10 mm时为地表移动开始时间，地表点自移动开始至下沉速度达到1.7 mm/d 前的阶段称为移动初始期。

(2)活跃期。地表下沉速度大于1.7 mm/d 的阶段。

(3)衰退期。地表下沉速度自小于1.7 mm/d时始至连续6个月地表下沉值小于30 mm时止的阶段成为移动衰退期[5]。

由图3分析可以得出，初始期时长约为20天，活跃期时长约为140天，衰退期时长约为45天。地表移动延续时间约为205天。

4 结 论

(1)敏东一矿01工作面为走向充分、倾向非充分采动工作面，通过拟合分析，得出下沉系数0.77、水平移动系数0.29。下山边界角42°、上山边界角46°、走向边界角54°，下山方向移动角67°、上山和走向方向移动角72°，下山方向裂缝角83°、上山方向裂缝角86°、走向方向裂缝角84°。

(2)据观测数据分析，地表最大下沉速度达到了141.9 mm/d，大裂缝不发育。说明在敏东一矿地表沙层覆盖的草原地区，上覆松散层结构强度较小，整体承载力较低，尤其在厚煤层开采过程中地表变形强烈，但地表变形整体较为平缓。

(3)敏东一矿基岩为伊敏组地层，上覆由砂和亚黏土组成的第四系，覆岩岩性整体偏软。根据观测结果，地表移动延续时间为205天，活跃期占总移动期的68%，地表移动活跃期相对较长。