厚松散层非充分开采条件下地表移动规律研究*

魏跃东

(1.中煤科工生态环境科技有限公司唐山分公司，河北 唐山 063012;2.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

在我国东部平原一些矿区，地下潜水位较高，由于煤炭开采造成地表下沉，当地表下沉量大于潜水位埋深时，地表将会积水，形成大面积积水区，对地表的土地及其附属设施造成极大影响，因此，为减少由于井下煤炭开采对地表环境的影响，有些矿区采用部分开采法对井下煤炭资源进行开采，这种开采方法可以在一定程度上减少井下开采对环境的影响，由于该方法一般为非充分开采，非充分开采引起的地表移动变形规律较充分开采有很大的不同，而表征地表开采移动变形规律的预计参数均为充分开采条件下的[1]，这些参数对进行开采损坏评估、环境影响评价等是必不可少的，因此进行非充分条件下地表移动规律研究具有重要的现实意义[2-6]。

为此，本文以山东济宁矿区某矿首采区1301、1303工作面为例，重点研究了在厚冲积层下非充分开采条件下的地表移动规律[7-10]，旨在为进行相似地质采矿条件下地表移动规律的研究提供参考。

1 地表观测区域地质采矿条件

该矿1301、1303工作面位于北一采区，开采煤层为3煤，煤层倾角13°～23°，平均18°，煤层采厚7.5 m。1301工作面倾斜宽189 m，走向长936 m；1303工作面倾斜宽189 m，走向长890 m，为减缓地表下沉，在两工作面之间留设了保护煤柱，煤柱宽197 m。工作面开采标高-340～-600 m，地面标高+39～+41 m。由于采深较深(平均510 m)，采宽相对较小(189 m)，1301、1303工作面开采倾斜方向均未达到充分采动。

煤系地层以细砂岩、中砂岩、粉砂岩、泥岩交互沉积而成，基岩平均厚295 m；第四系松散层平均厚225 m,由粉砂、细砂、粘土、粉质粘土、砂质粘土、含砾粘土等组成。松散层占3煤顶板平均采深43%，基岩占57%，属厚松散层覆盖下的下硬上软型地层结构。

该区域地质构造较简单，煤层整体赋存形态为走向北东，倾向南东的单斜构造，在工作面中部为一宽缓小向斜。

采煤方法为走向长壁综采放顶煤一次采全高，全部垮落法管理顶板。

2 地表观测站的设置与观测工作

2.1 观测站的设置

在1301、1303工作面上方沿公路分别布设A、B两条观测线，其中A线近南北走向，测点自北向南进行编号，B线为东西走向，测点自西向东进行编号。具体观测线布置和工作面关系如图1所示。观测站要素如表1所示。

图1 观测站平面布置示意图

表1 观测站布置明细表

2.2 观测站的观测工作

本次地表移动观测站水准测量按四等水准进行，坐标观测均使用全站仪按一级导线的要求进行观测。在观测过程中由于地面下沉引起地表积水，部分测点被淹没，移动变形数据没有采集到。

A线观测时间为2016年4月23日～2018年2月22日，1301、1303工作面开采时间为2016年3月～2018年5月，由于A线受1301、1303工作面共同影响，所以A线观测点的移动变形还未完全稳定。

B线观测时间为2016年4月23日～2018年2月22日，地表最大下沉点B16从2017年2月5日～2017年5月12日共进行3次测量，其下沉速度分别为0.05 mm/d ，0.08 mm/d 和0.10 mm/d，三个月累计下沉量为9 mm，可认为该点受1301工作面的影响基本稳定。

2.3 地表移动变形的实测结果

由于A线观测点的移动变形还未完全稳定，本文主要以B线分析该区域地表移动规律。B线测线方向的地表移动变形最大值如表2所示，B线下沉、倾向、水平移动、水平变形、曲率以及各工作面的位置关系如图2所示。

3 采动过程中的地表移动变形规律

为了研究采动过程中的地表测点的移动规律，选取测线最大下沉点，分析其在采动过程中不同时段的下沉速度变化、下沉量和工作面推进位置、时间等的关系，以便于了解在采动过程中的地表移动与变形规律，如图3所示。

表2 B线地表移动变形最大值统计表

3.1 超前影响角ω

超前影响角ω是工作面在推进过程中采空区走向方向位于工作面前方地表开始移动点与当时工作面所在平面位置间的连线与水平线在煤层一侧的夹角，如图4所示。其计算公式为：

(2)

图2 B线地表移动变形综合曲线图

图3 B16点下沉量、下沉速度和工作面推进位置、时间关系曲线图

图4 超前影响角示意图

式中,l为超前影响距；H0为平均开采深度。

根据实际观测线布置和观测情况，B线最大下沉点B16开始下沉时间为2016年6月28日，超前影响距l为180.7 m。由此求出该矿地质采矿条件下超前影响角ω为67.2°。

3.2 地表最大下沉速度

1301工作面B线B16测点地表最大下沉速度Vmax=52.4 mm/d，B18测点地表最大下沉速度Vmax=52.5 mm/d。

在一定地质采矿条件下，地表最大下沉速度与采深、工作面推进速度和该点的最大下沉量有关，即：

(2)

式中,k为与覆岩性质有关的调整系数；C为工作面的推进速度，m/d;H0为平均开采深度，m；W0为本工作面的地表最大下沉值，mm。

把有关数据代入上式，求出k值为2.82，因此，该矿及类似地质采矿条件下，可用下式(经验公式)预计地表最大下沉速度：

(3)

3.3 最大下沉速度滞后角ψ后

最大下沉速度滞后角是最大下沉速度点与工作面位置连线与水平面的夹角，如图5所示。

图5 最大下沉速度滞后角示意图

B线B16点出现最大下沉速度的时间为2016年8月15日，其工作面推过的最大下沉速度滞后距L后为144.3 m。最大下沉速度滞后角ψ后可用下式计算：

(4)

式中,H0为平均采深,1301工作面平均采深为430 m;L后为滞后距。

求得1301工作面B线B16点最大下沉速度滞后角为71.5°。

3.4 地表移动期

地表下沉速度的大小反映地表移动的剧烈程度。一般根据下沉速度的大小，可将地表点的整个移动过程分为初始期、活跃期和衰退期三个阶段：

初始期：地表测点开始移动(下沉量达到10 mm的时刻)至活跃期的时间段(下沉速度刚达到1.67 mm/d)。

活跃期：按“规范”规定下沉速度大于1.67 mm/d的阶段。

衰退期:活跃期结束到六个月内地表测点累计下沉小于30 mm(即下沉速度小于0.17 mm/d)的时间段。

B线B16点、B18点移动统计结果如表3所示。

表3 B16点、B18点移动统计结果表

从实测情况看，B16点下沉充分但由于地面积水测量数据质量不好，B18数据质量好于B16。从表3可以看出测点移动的初始期非常短，其下沉量占总下沉量的2%以下，活跃期较长，其下沉量占总下沉量的90%左右，衰退期时间也较长，但其下沉量仅占下沉总量的10%左右。

可用下式计算地表移动期：

(5)

式中，j为主要决定覆岩性质的时间系数；H0为测线位置的平均采深,m;C为工作面的推进速度，m/d。将已知数据代入，求得B16、B18点的j值分别为1.69、1.88，其平均值为1.79，故在类似地质采矿条件下计算地表移动期可用下式：

(6)

4 根据观测成果求取相应岩移角值

B线不在地表移动盆地的主断面上，且工作面在煤层走向方向为充分采动，倾向方向为非充分采动，如图2所示。

本次所求的移动角为综合移动角，按“规范”规定的临界变形值：拉伸变形ε=2 mm/m，倾斜I=3 mm/m，曲率变形k=0.2×10-3/m的实测位置与相应采空区边界底板的连线，与水平线的夹角，即为所求的相应移动角值。

在1301工作面具体条件下，根据图2，求取的伪倾向非充分采动有关岩移角值如下：

根据B线的移动变形实际观测情况，将x向求得的变形值换算至主断面上，按曲率kx=0.2×10-3/m和水平变形εx=2 mm/m，求得非充分采动伪倾向综合移动角γ′=57.65°，β′=50.98°。

由于伪倾向上山、下山综合移动角与上山、下山移动角有如下近似关系：

tanγ′= tanγcosα

(7)

tanβ′= tanβcosα

(8)

式中,β′为伪倾向下山移动角；γ′为伪倾向上山移动角；β为下山移动角；γ为上山移动角；α为伪倾向实际观测线与倾向主断面的夹角，本观测站取30°。

经计算，上山方向、下山方向非充分开采条件下综合移动角建议取γ=61.2°，β=55°。

5 求取 “概率积分法”预计参数

设置地表移动观测站的目的之一就是为了求取地表移动的预计参数，为今后的开采预计提供技术依据。目前，我国进行地表移动变形预计时通常采用概率积分法，因此本次求取概率积分法的预计参数。

结合“三下”采煤规范的要求，按照岩移理论，利用求参程序，采用济宁地区相似地质采矿条件下预计参数为初始值，以逐渐趋近的方法使预计结果与实测移动曲线进行对比，经过多次拟合，最后求取较适合本矿区的预计参数。

求得的预计参数如下：

下沉系数,q=0.98；水平移动系数，b=0.35；拐点偏移距，s=0.09H；主要影响角正切，tgβ=1.8；开采影响传播系数，k=0.6。

6 结 论

通过对济宁矿区厚松散层覆盖、非充分开采条件下实测数据的分析，得出如下结论：

(2)根据实测结果求得的上山方向、下山方向的综合移动角为γ=61.2°，β=55.0°。

(3)根据实测资料拟合求出的“概率积分法预计参数”如下：

下沉系数,q=0.98；水平移动系数,b=0.35；拐点偏移距,s=0.09H；主要影响角正切,tgβ=1.8；开采影响传播系数,k=0.6。

(4)厚松散层、非充分采动条件下地表移动特点：①在非充分条件下最大下沉速度可达52.5mm/d，说明在地表移动活跃期地表移动变形十分剧烈；②地表移动初始期较短，活跃期和衰退期较长，活跃期地表下沉占全部下沉的90%左右；③综合移动角较小；④下沉系数较大，达0.98。