浅埋深多煤层开采地表移动规律实测与分析

王卫东，郭先顺，王明立，田国灿，李友伟

(1.内蒙古双欣矿业有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017001；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；3.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013)

神府东胜煤田是我国已探明的最大煤田，分布在陕西省榆林地区和内蒙古鄂尔多斯地区，具有可采煤层多、埋藏深度小、地表普遍为风积砂地貌等典型特点，地质采矿条件具有特殊性。内蒙古双欣矿业有限公司(以下简称双欣矿业)位于神府东胜煤田的东缘，自2016年以来，在地表布置地表观测站对矿井各煤层开采进行持续性观测，获得了大量宝贵的地表移动观测资料，为研究浅埋深、多煤层开采地表移动规律奠定了基础。

国内外对煤矿开采引起的地表移动与变形进行过较多研究，主要集中在浅埋深厚煤层综放开采[1-9]、多煤层重复采动[10-20]等相关领域。本文基于双欣矿业实测资料，利用开采沉陷理论、数值模拟等多种方法，对初次采动、重复采动等不同条件下的地表移动观测数据进行总结和分析，并对浅埋深、多煤层开采地表不连续变形、波浪状下沉等地表移动机理进行模拟分析。

1 矿井概况

双欣矿业位于内蒙古自治区鄂尔多斯市东胜区铜川镇，于2008年11月开工建设，2012年3月正式投产，矿井设计生产能力为500万t/a，设计服务年限63.3 a。井田分2个水平开拓，11个采区开采，主要开采2-2、4-1、5-1、6-1煤层。

双欣矿业地层由老至新发育有三叠系上统延长组、侏罗系中下统延安组、侏罗系中统直罗组、安定组、白垩系下统志丹群和第四系。井田主要含煤地层为侏罗系中下统延安组和侏罗系中统直罗组，共含煤19层，其中可采煤层10层。根据工程地质勘探成果，双欣矿业地表为冲洪积物和风积沙，厚度1.0～23.52 m，平均5.51 m。基岩岩性多为砂质泥岩、细粒砂岩，次为粉砂岩，岩芯取出后易风化，岩石质量指标(RQD)值较低，为20%～65%，平均50%，岩体质量指标值(M)为0.0038～0.17，平均0.041。区内岩石与岩体的质量等级均为Ⅳ级，质量较差。井田地质构造简单，地层倾角小于5°，无大型断层及褶曲。瓦斯地质和水文地质条件简单。

双欣矿业首采煤层为2-2煤层，接续开采煤层为4-1煤层，两煤层间距42.85～102.11 m，平均58.98 m。2-2煤层划分1个采区，即22采区，共布置13个工作面开采。4-1煤层划分1个采区，即41采区，共布置14个工作面开采。采煤方法均采用走向长壁后退式综采一次采全高开采方法，全部垮落法管理顶板。

多年来，双欣矿业在不同煤层工作面共布置10多条地表移动观测线进行观测，本文选取其中两条观测线数据进行具体分析。这两条观测线共涉及两个煤层(2-2煤层和4-1煤层)、7个工作面开采，工作面开采技术参数见表1，工作面及测线布置如图1所示。

图1 研究区域工作面位置关系及观测线布置

表1 双欣矿业工作面开采技术参数

2 地表移动过程实测研究

2.1 初次采动多工作面开采地表移动观测

双欣矿业2-2煤层222208、222209、222210工作面开采，布置的地表移动观测线为a1—a38，共38个测点，观测时间历时一年多，较好观测了这3个工作面开采引起的地表移动变形情况(开采顺序：222208→222209→222210)。3个工作面采动影响下沉过程如图2所示。由图2可知，222209工作面下沉量较大，222210工作面地表达到稳沉时间较短。

图2 初次采动222208—222210工作面开采地表历次下沉曲线

2.2 重复采动多工作面开采地表移动观测

4-1煤层工作面共布置地表移动观测线1条，为C1—C8—B1—B18观测线，主要监测414108—414109等工作面开采引起的地表移动变形情况。结合双欣矿业2-2煤层工作面布置地表移动观测线a1—a38，可得到重复采动条件下地表移动变形情况。重复采动条件下4-1煤层多工作面开采地表下沉曲线如图3所示。开采顺序为414108→414109工作面。414109工作面地表下沉达到稳沉的时间要大于414108工作面达到稳沉的时间。

图3 重复采动条件下414108、414109工作面开采地表历次下沉曲线

2.3 重复采动多工作面开采地表移动时间分析

根据地表下沉实测图2、图3可以看出，无论是上层煤初次采动还是下层煤重复采动，地表均表现出明显的波浪状下沉特征，说明浅埋深条件下上覆岩层的移动易受采空区遗留煤柱的影响。也说明在浅埋深条件下，覆岩矿山压力作用较小，无论是初次采动还是重复采动，煤柱均能保持一定的稳定，对覆岩移动和地表下沉具有明显的控制作用。

根据开采沉陷理论[21]，一般将地表点的整个移动过程分为三个时期：初始期、活跃期、衰退期。初始期指下沉量达到10 mm的时刻开始，至下沉速度达到1.67 mm/d(或50 mm/月)时刻为止的时期。活跃期指下沉速度大于1.67 mm/d(或50 mm/月)的时期。衰退期指下沉速度小于1.67 mm/d(或50 mm/月)起至6个月内下沉累计不超过30 mm时为止的时期。根据地表移动实测数据分析，各工作面开采后相应的地表最大下沉点单月下沉速度变化曲线如图4所示。由实测数据可知，无论是初次采动还是重复采动，浅埋深条件下地表移动的初始期均不足一个月。对于2-2煤层开采，初次采动地表移动的活跃期3～5个月；对于4-1煤层开采，重复采动条件下地表移动的活跃期为4～6个月。综合考虑，浅埋深多煤层开采条件下地表移动的活跃期一般为3～6个月。

图4 不同工作面开采地表最大下沉点单月下沉速度变化曲线

3 多煤层开采地表移动参数研究

3.1 概率积分法地表移动计算参数

工作面煤层开采后，采空区上覆岩层发生的变形、破坏、移动，随着采煤工作面的推进，逐渐从采场顶板扩展至地表，形成地表移动盆地。地表移动盆地中存在下沉、水平移动、水平变形、倾斜变形、曲率等不同性质的移动变形指标。对这些变形指标的计算和分析，目前应用最多的方法是概率积分法。

概率积分法也称为随机介质理论，是把岩体看作一种随机介质，把岩层移动过程看作一种服从统计规律的随机过程来研究岩层与地表移动的一种方法。概率积分法采用叠加原理将采动影响函数在整个开采区域上进行积分，得到开采区域下沉曲线函数。根据小变形和体积不变原理，利用单元下沉函数得到单元水平移动函数，然后根据积分原理得到开采区域水平移动曲线。根据导数关系，可以得到水平变形、倾斜变形、曲率等计算公式。通过参数整合和明确物理意义，概率积分法在实际应用时用到四个计算参数：下沉系数、水平移动系数、主要影响角正切、拐点偏移距，对于倾斜煤层开采地表移动预计，还要用到开采影响传播角。

如上所述，在进行地表移动计算时，要利用单元开采影响独立作用的叠加法则。在弹性力学中，线性叠加原理只用于小变形情形。对于单一煤层开采，在开采区域上利用积分原理进行概率积分法计算，其计算精度经实践验证满足工程应用要求。对于多煤层开采，由于岩石不同于其他介质，在一次开采影响后，其结构性质将发生变化，进而改变上覆岩层的移动特征。根据地表移动过程分析，多煤层、多工作面开采存在相互交叉影响的关系，必将改变地表移动盆地的分布形态。因此，初次采动和重复采动在地表移动计算、特别是地表移动参数选取方面有一定的差别。

一般来说，地表移动计算参数与上覆岩层性质、开采技术参数等因素有关，需要根据具体开采条件进行实测取得，或根据类比方法进行分析确定。自20世纪60年代末开始，我国在全国范围内进行了大量的地表移动观测工作，获得了多种地质采矿条件下的地表移动规律和地表移动计算参数。但是，反映多煤层、多工作面开采的地表移动参数还缺乏丰富的实测资料。

多煤层开采引起的老采空区活化现象，很早就引起专家学者的关注和研究[21-23]。重复采动时，地表最大下沉的计算公式为[22]：

Wmax=mη+msηs

(1)

式中，Wmax为重复采动时地表最大下沉值，mm；m为下层煤开采厚度，mm；η为初次采动地表下沉系数；ms为老采空区煤层开采厚度，mm；ηs为老采空区活化系数。

根据开采沉陷理论[21]，地表移动参数反映的是整个上覆岩层宏观的、综合的地质和物理力学特征。根据实测数据具体定量测定某一单一因素对地表移动参数影响方面目前还难以实现。因此，只能通过实测数据分析确定具体地质采矿条件下的地表移动参数的变化规律，突出主要因素的影响特点。借助数值模拟技术，可在一定程度上分析某些参数的变化规律。本文即是根据单一煤层和多煤层开采地表实测数据的对比分析，并结合数值模拟分析方法，探讨多煤层开采对地表移动参数的影响。

3.2 初次采动多工作面开采地表移动参数实测

222208—222210工作面属于上层煤初次采动条件下多工作面采动，累计采宽900 m，222208—222210工作面煤层平均采深为118 m，222208—222210工作面已经达到充分采动状态。根据概率积分法[21，24]，测线地表下沉系数和水平移动系数的拟合曲线分别如图5、图6所示，拟合结果见表2。

图5 222208—222210工作面测线a下沉拟合曲线

图6 222208—222210工作面测线a地表水平移动拟合曲线

表2 222208—222210工作面测线a参数拟合曲线

根据表2，浅埋深开采条件下，多工作面开采也能引起相邻老采空区的活化，表现为相邻工作面开采后地表下沉系数的增加。但随着工作面开采数目进一步增加，老采空区活化影响将有所减小。实测表明，单一煤层开采相邻工作面开采主要影响角正切、开采影响传播系数和拐点偏移距比较稳定，基本不受相邻工作面开采状态影响。

3.3 重复采动条件多工作面开采地表移动参数实测

414108、414109工作面相邻，处于222201、222202工作面下方，其地表移动参数受多工作面、多煤层重复采动影响。根据概率积分法，地表下沉系数和水平移动系数的拟合分别如图7、图8所示，拟合结果见表3。

图7 414108、414109工作面测线B和测线C下沉拟合效果

图8 414108、414109工作面测线B和测线C水平移动拟合效果

表3 414108、414109工作面开采测线C1—B18参数拟合结果

在浅埋深多煤层开采条件下，与单一煤层开采相比，受老采空区活化作用影响，下层煤开采地表下沉系数有所增大，主要影响角正切、拐点偏移距增大。说明在重复采动影响下，上覆岩层力学性质减弱，开采影响范围增大。

综合分析，在浅埋深多煤层开采条件下，地表移动参数存在明显的规律性变化特征。由于老采空区的活化作用和上覆岩层力学性质的减弱，下沉系数、主要影响角正切明显增大。

4 多煤层开采覆岩破坏研究

利用离散元法对浅埋深多煤层开采进行数值模拟研究，浅埋深多煤层开采覆岩移动情况如图9所示，222201、222202、414108、414109工作面开采后上覆岩层裂缝分布如图10所示。可见，在浅埋深、多煤层开采条件下，上覆岩层的破坏主要为剪切破坏和拉张破坏，地表易出现地裂缝等不连续变形现象；浅埋深、多煤层开采上覆岩层不易产生较大的应力集中，矿山压力小，工作面区段煤柱不易破坏，易在地表形成波浪状下沉盆地。

图9 浅埋深多煤层开采覆岩移动

图10 222201、222202、414108、414109工作面开采后上覆岩层裂缝分布

利用数值模拟对多煤层开采覆岩裂缝变化的影响进行分析，分析结果见表4。根据相对位置不同，下部煤层开采对正上方老采空区活化后覆岩裂缝增长率约为17%，对侧上方老采空区活化后覆岩裂缝增长率约为5.6%～12.0%。综合分析，由初次采动影响地表下沉系数0.79，浅埋深多煤层开采老采空区活化系数可取为0.045～0.13。

表4 工作面开采覆岩裂缝增长率

浅埋深多煤层开采条件下，上覆岩层裂缝数量和岩层破坏范围的增加，反映了多煤层开采上覆岩层力学性质的弱化特征，是造成地表下沉系数增大和开采影响范围变化的主要原因。浅埋深多煤层开采数值模拟研究结果，揭示了浅埋深多煤层开采地表移动参数变化的机理。

5 结 论

1)浅埋深多煤层开采条件下，地表移动的初始期和活跃期均较短。根据实测数据分析，双欣矿业地表移动初始期约0.5个月，活跃期一般为3～6个月。

2)浅埋深多煤层开采条件下，上覆岩层的破坏主要为剪切破坏和拉张破坏，地表易出现地裂缝等不连续变形现象。工作面区段煤柱能够保持稳定性，对上覆岩层的移动破坏起到控制作用，易在地表形成波浪状下沉盆地。

3)在浅埋深多煤层开采条件下，地表移动参数存在明显的规律性变化特征。受老采空区的活化作用影响，上覆岩层力学性质减弱，下层煤开采时地表下沉系数、主要影响角正切明显增大。双欣矿业浅埋深多煤层开采老采空区活化系数可取为0.045～0.13。