巨厚煤层高强度开采地表移动特征及机理研究*

韩永斌，孔素丽

(1.中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013；2.天地(唐山)矿业科技有限公司，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)

西北黄土高原区某煤矿巨厚煤层放顶煤开采，将会影响到地面550 kV高压输电线塔，为了能够最大限度回收煤炭资源，并使井下开采不对高压线塔造成致命伤害，需掌握煤层开采过程中高压线塔的移动变形情况。一般厚煤层综放开采将引起地表出现非连续变形。所谓非连续变形是指煤层开采后地表的移动和变形在空间和时间上是不连续的，且其变形分布没有严格规律，地表可能出现较大的裂缝、台阶和塌陷坑[1]。国内许多研究人员对巨厚煤层综放开采进行了深入研究，并取得了一些研究成果供借鉴[2-5]。弄清非连续变形发生的机理，是进行非连续变形计算的基础[6]。为了确保矿井综放开采有效保护地表高压线塔，矿井在工作面上方设立了地表移动观测站，并在观测站附近80 m×100 m的区域内布设高压线塔模拟监测点，监测地表移动变形情况，获得高强度开采地表动态变形数据，分析地表移动特征，总结地表移动规律，为高压线塔下安全开采提供可靠的基础数据。

1 项目区概况

1.1 地质采矿条件

该区域地面标高+1 260～+1 330 m，平均标高1 295 m，为丘陵地貌，地表沟谷纵横，其中由南向北有大南沟横穿工作面，沟谷平时干枯，雨季形成瞬时洪流通过，整体地势由南向北逐渐变低。工作面开采5煤层，煤层倾角0°～10°，平均为3°；综采放顶煤一次采全高，采全高约27 m，在模拟区域内不放顶，只采3.2 m，平均开采深度为300 m。第四系松散层很薄，大部分为基岩，老顶为灰白色中粗砂岩夹砂质泥岩，底板岩性灰色砂质泥岩或炭质泥岩。

1.2 观测站设置与观测概况

在开采工作面上方设立一条倾向观测线和半条走向观测线，共设工作测点71个，控制点4个。并留设80 m×100 m区域不放顶开采，作为模拟电塔实验区域，在模拟区域中心布设点间距10 m点阵，共30个模拟电塔观测点，19个模拟电塔，如图1所示。

图1 观测站布置示意图

观测工作从2018年8月中旬开始，截至2019年10月28日，共对观测线进行了12次全面测量，模拟电塔区于2018年11月29日开始进入每日全面观测，至2019年2月28日连续观测91 d，之后进入每月观测，取得了大量宝贵的观测资料，为地表移动规律研究奠定了数据基础。由于该矿煤层开采厚度大、采深小，综采放顶煤一次采全高条件下，采动过程中地表移动剧烈，冒落带和断裂带直达地表，出现台阶、地裂缝和塌陷坑等非连续变形，同时地表大面积塌陷造成大量关键位置的缺失，地表破坏情况如图2所示。

图2 现场监测照片

2 地表观测站观测数据分析

2.1 观测站受开采影响分析

根据走向观测线实测数据，在工作面开采过程中，地表移动变形剧烈，地裂缝、台阶发育，地表大面积快速垮落成一个大塌陷坑，造成了走向线移动盆地上各测点的塌陷破坏，随着工作面的推进，塌陷坑继续扩大，最终形成一个长146 m、宽124 m的大型塌陷坑，自切眼至预计出现最大下沉位置之间的观测点因地表剧烈塌陷而遭受破坏。倾向观测线的部分测点也遭到破坏。根据实测值进行拟合修正后最大下沉点的下沉曲线和倾斜曲线图如图3所示。

图3 倾向线下沉与倾斜实测曲线图

由图3可知，地表移动的初始期很短，地表快速进入沉降活跃期，活跃期内的移动与变形剧烈且集中，地表出现大范围塌陷坑，随后下沉速度快速减小，地表下沉盆地在拐点内侧及附近下沉值较大，曲线较陡，地表下沉速度偏大，移动角偏大，边界角偏小。

巨厚煤层的综放开采，冒落带和断裂带直达地表，造成弯曲带缺失，出现台阶、地裂缝和塌陷坑等不连续地表变形。裂缝分两种情况，一种是随着工作面不断向前推进，在工作面前方动态拉伸区不断出现的动态裂缝，该裂缝每隔6～10 m出现一条，与回采线大致平行呈弧状，裂缝宽度一般10～30 mm，发育成熟之后裂缝逐渐闭合消失；另一种是在工作面两侧边界附近下沉盆地边缘发生的位置比较固定的裂缝，裂缝方向与采空区边界方向基本一致，裂缝宽度一般20～50 mm，伴有较明显的裂缝带。

对于地表移动变形的研究，国内外专家提出了多种方法，目前，我国各矿区比较常用的地表移动变形计算方法主要是概率积分法[7-8]。由于该矿煤层开采厚度大、采深小，综采放顶煤一次采全高条件下，采动过程中地表移动剧烈，冒落带和断裂带直达地表，出现台阶、地裂缝和塌陷坑等非连续变形，地表移动形态已不符合概率积分法，同时地表大面积塌陷造成大量关键位置的测点破坏，给岩移参数的反演带来了极大影响，研究工作面开采情况与地表塌陷的相互关系对于指导矿井生产、地面建筑物的安全以及生态环境的保护具有重大意义，因此根据观测站实测数据分析、绘制工作面推进过程中地表塌陷坑的位置关系图，计算工作面开采时的超前影响距离和工作面开采后的滞后距离是非常必要的。工作面推进和地表沉陷剖面关系如图4所示。

由图4可知，当工作面接近充分采动时，地表移动超前影响距离为53 m；工作面推进位置距离塌陷坑180 m处时塌陷坑范围不再扩大。

图4 工作面推进和地表塌陷坑位置关系剖面图

2.2 高压线塔模拟区监测数据分析

地下煤层采出后地表点的移动经历了一个由开始移动到剧烈移动，最后到停止移动的全过程，在生产过程中根据稳定后的沉陷规律还不能很好的解决实际问题，例如在超充分采动条件下，地表下沉盆地会出现平底，在此平底区域内地表下沉相同，地表变形趋近于零，但不能认为在此区域的建筑物不经受变形、不受到破坏。因为在工作面推进过程中该区域的每个点都要经受动态变形的影响，虽然这种动态变形可能是临时的，但同样动态变形引起的破坏可能会超过建筑物的允许变形值，使建筑物遭到破坏。因此分析高压线塔模拟区是否受到损害，主要是对模拟区监测点活跃期的观测数据进行分析，计算模拟区监测点的最大倾斜值是否超过规范规定要求。按照规范要求，110～750 kV铁塔的倾斜度允许值不超过10‰(适用于50 m以下高度铁塔)，横担歪斜度不超过10‰。各线塔监测点活跃期位移及倾斜变化值如图5所示。

由图1可知，模拟区沿倾向线向北共布设30个监测点，模拟19个高压线塔，工作面回采至模拟电塔南边界时对监测点进入每日全面观测，至回采到模拟电塔北边界共用时20 d，通过分析计算地表移动综采超前45 m与观测站实测数据计算结果基本一致。根据模拟监测点活跃期数据分析：距放顶煤地带60 m以内区域，随综采回采影响，模拟区监测点最大倾斜值在80‰～240‰，模拟电塔遭到毁灭性破坏。距放顶煤地带60m以外区域，监测点最大倾斜值在10‰～30‰，处于模拟电塔变形极限值之间。因此放顶煤综采一次采全高、模拟区内限高开采也不能满足高压线塔安全使用，应增大限厚开采面积，确保高压线塔的安全。

3 地表移动破坏特征分析

当基岩整体轻微破坏时，即采空区上方垮落带未超过基岩面且基岩上部处于弯曲带、岩性完整，基岩可以对上覆松散层起到较好的控制作用，地表下沉表现为岩梁的弯曲下沉；当基岩整体中度破坏时，即采空区上方垮落带未超过基岩面且基岩上部分发生垂直层面的裂缝。大量的采矿实践表明，基岩的破坏程度主要与基岩岩性、基岩厚度、开采厚度和开采尺寸等因素有关[9-10]。

(1)开采厚度的影响：开采厚度对于上覆岩层及地表的沉陷过程有较大影响，采厚越大，冒落带、导水裂隙带高度越大，地表移动变形值也越大，移动过程表现的越剧烈。根据我国各煤田的观测资料分析，两带高度一般为采出煤层厚度的11～16倍。该矿的采煤厚度27 m，冒落带、导水裂隙带两带的高度总和为297～432 m，大于煤层开采深度300 m，两带高度直达地表，造成弯曲带的缺失，地表产生剧烈非连续变形。

(2)开采深度的影响：随着开采深度的增加，地表移动范围增大，而地表下沉值变化不大，因此，地表移动盆地变得平缓，各项变形值减小，因此，在其他条件相同的情况下，地表各项变形值与采深成反比。通常情况下，采用深厚比作为衡量开采条件对地表沉陷影响的粗略估计的指标，深厚比越大，地表移动变形值越小，移动和变形就越平缓；深厚比越小，地表移动与变形就越剧烈，在深厚比很小的情况下，地表的移动和变形在空间和时间上将是不连续的，移动和变形的分布没有严格的规律性，地表可能出现大裂缝、台阶状断裂，甚至出现塌陷坑。一般我们认为深厚比大于30时，地表移动和变形在空间和时间上才具有明显的连续特征和一定的分布规律，根据该矿的开采条件，其深厚比约等于11，深厚比很小，特别是该地区松散层厚度较薄，造成了地表的破坏程度剧烈。

(3)基岩岩性的影响：组成岩石的岩性可分为坚硬、中硬和软弱三种类型，岩石力学性质的不同对地表沉陷过程影响很大。煤层采出后，岩层按破坏程度分为三带，冒落带和裂缝带合称为冒落裂缝带，两带的高度与岩性有关，一般情况下，软弱岩石形成的两带高度为采厚的9～12倍，中硬岩石为采厚的12～18倍，坚硬岩石为采厚的18～28倍。根据该区域钻孔资料和观测站数据求得的角量参数，该地区岩性为中硬偏软岩层，两带高度约为采厚的12～18倍，大于煤层开采深度，当采用全部垮落法管理顶板时，裂缝带可发展到地表，甚至冒落带直达地表，这时地表和采空区连通，地表呈现塌陷、台阶或崩落。

综上所述，由于该矿煤层开采厚度大，采深小，综采放顶煤一次采全高条件下，采动过程中地表移动剧烈，冒落带和断裂带直达地表，出现了台阶、地裂缝和塌陷坑等剧烈的非连续地表变形。

4 结 语

对于巨厚煤层，综采放顶煤一次采全高条件下，煤层开采强度大，采动过程中地表移动剧烈，冒落带和断裂带直达地表，造成弯曲带缺失，出现台阶、地裂缝和塌陷坑等非连续地表变形，地表移动形态已不符合概率积分法。地表非连续变形的产生受厚硬覆岩、薄松散层的特殊覆岩结构及深厚比的影响，采动引起冒落带和断裂带直达地表，是地表产生较大非连续变形的诱导因素。对于有重要建(构)筑的地区宜降低开采强度，通过留设煤柱、限厚开采等措施，合理开采煤炭资源，实现矿山的绿色发展。