基于許廠煤礦厚松散層下開(kāi)采地表沉陷規(guī)律研究與應(yīng)用

郭振忠　周業(yè)亭　孫少磊

摘要：厚松散層條件下開(kāi)采引起的地表沉陷規(guī)律具有明顯的自身特點(diǎn)。厚松散層條件采煤引起地表移動(dòng)可視為基巖和松散層雙層介質(zhì)的疊加，根據(jù)單元開(kāi)采影響和疊加原理進(jìn)行分析。針對(duì)許廠煤礦礦區(qū)內(nèi)賦存厚松散層的地質(zhì)條件，以地表移動(dòng)實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)，用數(shù)學(xué)方法分析研究出地表沉陷的特征及巖移參數(shù)和規(guī)律，找出厚松散層條件下開(kāi)采沉陷與控制的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：開(kāi)采沉陷；厚松散層；巖移參數(shù)；變形控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TD821文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2012）22-0128-02礦山開(kāi)采破壞了巖體內(nèi)部原有的力學(xué)平衡狀態(tài)，引起地表下沉和變形，影響到位于開(kāi)采影響范圍內(nèi)的建筑物、河流、鐵路、管道及農(nóng)田，尤其是在厚松散層條件下，開(kāi)展厚松散層下開(kāi)采地表沉陷規(guī)律研究，掌握開(kāi)采對(duì)地表的影響規(guī)律，為采區(qū)設(shè)計(jì)和“三下”采煤綜合治理提供可靠的技術(shù)依據(jù)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

1礦區(qū)地質(zhì)條件概述

許廠煤礦位于山東省濟(jì)寧市的東北部，屬山東

省濟(jì)寧市高新區(qū)所轄。地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°36′

00″～116°43′00″，北緯35°24′00″～35°

31′00″。礦區(qū)所在地區(qū)為沖積、湖積平原，地形平坦，地勢(shì)東北高、西南低。第四系松散層厚127.00～282.74m，平均197.44m，主要由粘土、砂質(zhì)粘土、粘土質(zhì)砂、砂及砂礫層組成，屬河、湖相沉積。

礦區(qū)含煤地層主要為下二疊統(tǒng)山西組，厚59.90～114.70m，局部有剝蝕現(xiàn)象，平均78.57m，主要由淺灰、灰白及灰綠色砂巖，深灰、灰黑色粉砂巖、粘土巖及煤層組成。

2地表移動(dòng)觀測(cè)研究

礦區(qū)自投產(chǎn)以來(lái)，一直在做地表巖移觀測(cè)，設(shè)立了多個(gè)觀測(cè)站。據(jù)礦井生產(chǎn)接續(xù)安排，選擇了有代表性的1315面、4302面、4305面和4307面的4個(gè)地面巖移觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析研究。

4個(gè)觀測(cè)站共設(shè)置10條觀測(cè)線，按照地表移動(dòng)變形觀測(cè)站布設(shè)要求，分別沿走向和傾向觀測(cè)線布設(shè)測(cè)點(diǎn)，走向觀測(cè)線長(zhǎng)度為720～880m，傾向觀測(cè)線長(zhǎng)度560～700m，共設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)220多個(gè)。

礦區(qū)地表移動(dòng)的水準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器采用Nikon的AE-7自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀，在工作面采動(dòng)前、采動(dòng)中、采動(dòng)后，先后進(jìn)行接連測(cè)量、全面觀測(cè)、巡視測(cè)量、加密水準(zhǔn)測(cè)量、衰退期測(cè)量、最終全面觀測(cè)，同時(shí)收集工作面采高、煤層賦層狀況、推進(jìn)速度、地質(zhì)構(gòu)造等資料，獲取地表移動(dòng)變形第一手實(shí)測(cè)資料。

統(tǒng)一對(duì)地表巖移觀測(cè)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算、分析、整理，求得地表巖移觀測(cè)參數(shù)見(jiàn)表1：

3厚松散層條件下開(kāi)采地表移動(dòng)特征

實(shí)測(cè)資料分析結(jié)果表明，在煤層開(kāi)采15天左右開(kāi)始觀測(cè)到地表下沉。在厚松散層下，地下采煤開(kāi)始以后，首先在基巖內(nèi)產(chǎn)生移動(dòng)和破壞，形成離層以后，松散層在慢慢變形，向地表傳播。由于基巖和松散層結(jié)構(gòu)不同，軟硬程度不一樣，因此可以把它們看做不同的介質(zhì)，分別建立模型。通過(guò)建模，分析了厚松散層的變形特征以及與開(kāi)采充分度、采厚、松散層厚度變化的相關(guān)關(guān)系。

厚松散層下開(kāi)采后的地表移動(dòng)與變形符合概率積分法的分布形態(tài)，但具有自己的特征，通過(guò)地表觀測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)得出的結(jié)果和建模討論采深和松散層厚度對(duì)開(kāi)采沉陷地表變形的影響，表明：

（1）在采深和采厚比一定且較大時(shí)，松散層厚度越大，地表的下沉量會(huì)增加；在采厚、松散層厚度一定的條件下，隨著采深的增大，地表的移動(dòng)和變形逐漸減小，地表變形影響的范圍卻有所增大。

（2）地表下沉盆地縱向發(fā)育程度與基巖的采動(dòng)程度及松散層的厚度有關(guān)，采動(dòng)過(guò)程中松散層呈整體移動(dòng)，松散層內(nèi)部不出現(xiàn)離層裂縫，因此松散層厚的情況下，地表下沉系數(shù)和水平移動(dòng)系數(shù)偏大，移動(dòng)角偏小。

（3）采動(dòng)程度是決定盆地縱向發(fā)育程度的關(guān)鍵因素，通過(guò)實(shí)測(cè)資料和分析結(jié)果說(shuō)明，在厚松散層條件下采煤，采動(dòng)計(jì)算時(shí)應(yīng)用基巖厚度替換開(kāi)采深度更為合理，然后再考慮松散層的二次影響。

（4）厚松散層條件下，一次采高大，松散層變形量大，由于松散層較軟，盆地收斂會(huì)較慢，影響持續(xù)的時(shí)間會(huì)相對(duì)變長(zhǎng)，移動(dòng)范圍會(huì)變大。

（5）地表移動(dòng)大的變形相對(duì)集中，可能出現(xiàn)臺(tái)式裂痕。在達(dá)到最大充分采動(dòng)以后，地面開(kāi)始達(dá)到最大下沉，這時(shí)采空區(qū)上部與煤柱正上方的下沉值會(huì)達(dá)到接近相等為止，然后地表下沉值基本保持穩(wěn)定，下沉減緩。一般初始期和活躍期占總移動(dòng)時(shí)間的40%多，下沉量卻占90%以上。

4厚松散層下條件下開(kāi)采沉陷控制應(yīng)用

針對(duì)不同地表?xiàng)l件，在認(rèn)真分析、比較的前提下，合理選用適合本區(qū)域的開(kāi)采方式，從而達(dá)到控制地表沉陷的方法。目前許廠礦控制和減少地表沉陷的主要途徑有充填開(kāi)采法、條帶開(kāi)采法和注漿膏體充填開(kāi)采法等。

（1）充填開(kāi)采法是采用充填物充填串采后形成的巷道采空區(qū)，主要是充填矸石等。工藝相對(duì)復(fù)雜，成本較高，由于充填矸石密度松軟，充填接頂性差。許廠煤礦130南翼采區(qū)由于地表有相對(duì)集中的村莊等，采用的多為充填開(kāi)采法。

（2）條帶開(kāi)采是縮小面寬，預(yù)留較大保護(hù)煤柱，這樣開(kāi)采后形成不充分采動(dòng)，利用預(yù)留矩形煤柱支撐基巖控制地表的沉陷，減少對(duì)地表影響。由于預(yù)留大量的保護(hù)煤柱，使煤炭永久損失率高，資源浪費(fèi)多。許廠煤礦530采區(qū)由于地表有稀疏建筑物及國(guó)道，為控制下沉量，采用的為條帶開(kāi)采法。

（3）注漿膏體充填法是近幾年來(lái)提出的一種新的地表沉陷控制開(kāi)采方法，其實(shí)質(zhì)是在開(kāi)采過(guò)程中，剛形成采空區(qū)還未等基巖破壞時(shí)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注漿膏體，等其凝固以后再繼續(xù)開(kāi)采煤層，這樣反復(fù)循環(huán)的過(guò)程。此法開(kāi)采工藝復(fù)雜、難度較大、成本較高。根據(jù)地表建筑物存有的情況，許廠煤礦正在研究方案，對(duì)一些采區(qū)進(jìn)行注漿膏體充填試驗(yàn)。

5結(jié)語(yǔ)

對(duì)厚松散層地質(zhì)條件下采煤引起的地表沉陷規(guī)律進(jìn)行研究，可以更好地指導(dǎo)煤礦生產(chǎn)。文章基于許廠煤礦地表沉陷觀測(cè)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，對(duì)礦區(qū)厚松散層下采煤沉陷規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)，并應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中，根據(jù)不同需要選擇不用的開(kāi)采方式，以控制地表變形情況。

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