首采工作面地表沉陷變形特征

賀國偉,郭 劍

(陜西鐵路工程職業技術學院,陜西 渭南 714099)

金雞灘煤礦1206工作面為首采工作面,本文通過對該工作面地表觀測站實測數據的分析,研究了地表沉陷移動變形規律,揭示出該礦區開采地表及復巖的移動變形特征,為礦區其他工作面的開采、環境治理及土地復墾等提供了重要的參考資料。

1 工程概述

金雞灘煤礦位于陜西省榆林市榆陽區金雞灘鎮,礦區地面主要為灘地和沙丘沙地。區域位于陜北侏羅紀煤田北部,與內蒙古東勝煤田相連,西達定邊,與寧夏靈武、鹽池煤田相連,為鄂爾多斯盆地的一部分。各期的升隆運動都有東部幅度較大的特點,形成了自東向西地層由老至新,大致呈北向東帶狀出露的特點。井田內地層依次為直羅組Jz2、延安組五段J2y、延安組四段J2y和延安組三段J2y[1-3]。松散層平均厚度70 m,基巖層厚度176 m,基巖層硬度為中硬。首采工作面開采寬度300 m,長度4 548 m,平均采厚5.5 m,采深246 m。

2 地表沉陷特征

研究過程中,分別在工作面的走向主斷面和傾向主斷面各布設一條觀測線。在采動過程中,對傾向觀測線和走向觀測線共進行了12次觀測,并且最后幾次觀測數據表明,地表已趨于穩定。第m次觀測時,n點的地表沉陷計算公式如下:

(1)

走向觀測線和傾向觀測線繪制的下沉曲線分別如圖1和圖2所示。從圖1可以看出,當工作面推進151 m時,地表開始形成微小的下沉盆地,地表最大下沉點為A27號,下沉量為108 mm,距離開切眼(A22)75 m,符合一般開采沉陷規律,即最大下沉值往往滯后于工作面推進的位置[4-5]。隨著工作面不斷推進,地表下沉程度不斷加劇。當工作面推進210 m時,點A28的下沉速度達268 mm/d,為最大值,且該點滯后于推進邊界120 m左右。隨著工作面不斷向前推進,該點的下沉趨勢與地表移動的一般規律相符合。當工作面推進至320 m時,點A23的下沉量發生突變且大于點A24。走向觀測方向的下沉曲線平底部分不是非常均勻,說明局部地質采礦條件對地面沉陷也產生影響。當工作面推進到898 m以后,走向觀測線上的地表移動進入衰退階段,最終走向最大下沉值為3 059 mm,傾向最大下沉值為2 707 mm。

由圖2可以看出,地表下沉盆地在靠近邊緣部分較平緩,在采空區上方附近其值變化大。這說明采空區邊緣的地表下沉量及傾斜較小,而采空區上方的地表受煤層大采高(平均5.5 m)、埋深相對較淺(平均埋深246 m)、厚松散層(土層厚度70 m)等因素的影響,沉降量變化較大。采動過程中未出現大的臺階,因此下沉曲線的連續性較好,相對較平滑。

圖1 走向觀測線下沉曲線Fig.1 Subsidence curve of direction observation line

圖2 傾向觀測線下沉曲線Fig.2 Subsidence curve of trend observation line

由于厚松散層抗拉性和剪切性較差,地下采動的影響傳到地表后,地表很快出現裂縫。松散層之間的連接性也較差,幾乎沒有凝結性,抵抗地下采動影響的能力較弱,因此很快發生下沉。隨著開采范圍不斷擴大,開采程度不斷加深,松散層自身荷載作用于上覆巖層,導致地表形成二次塌陷,地表沉陷和移動更劇烈。

3 地表變形特征

相鄰兩點間的傾斜為:

(2)

式中:in～n+1為相鄰兩點間的傾斜,mm/m;ln～n+1是n號點至n+1號點間的水平距離,m;dn+1，dn分別表示n+1號點和n號點的下沉量,mm。

傾向觀測線的傾斜變化規律比較明顯,位于采空區邊界的傾斜值明顯較大,而位于采空區中部和盆地邊緣的傾斜值較小。由圖1和圖2可以看出,在工作面推進540 m時,相鄰點的相對下沉量特別大,傾斜變化劇烈;當工作面推進774 m之后,各相鄰點之間的相對下沉量變化較小,繪制的傾斜曲線如圖3和圖4所示。

圖3 走向觀測線地表傾斜曲線Fig.3 Surface tilt of direction line

圖4 傾向觀測線地表傾斜曲線Fig.4 Surface tilt of trend line

走向觀測線在開切眼處的傾斜變化和傾向觀測線的傾斜變化規律不僅明顯，而且符合地表移動盆地的傾斜變化一般特征。由圖3可以看出,當工作面推進320 m時,在開切眼處偏向采空區一側的相鄰點之間的傾斜較大;當工作面推進到629 m時,采空區內的傾斜變化趨于穩定;當地表下沉穩定后,走向線的最大傾斜發生在點A24—A25處,其值為-44.3 mm/m。傾向線的最大傾斜值為37.6 mm/m.

n+1號點至n號點間的水平變形為:

(3)

圖6 傾向觀測線水平變形曲線Fig.6 Horizontal deformation curve of trend line

由圖5和6可看出,靠近開采邊界兩側的水平變形較大。走向線上的水平變形最大值為35 mm/m,位于開切眼處的A24處;傾向線上的最大水平變形值為-21 mm/m,位于采空區中央B25附近。

根據首采工作面地表的實際情況,沿走向布置了一條觀測線,這條觀測線可以確定開采過程中啟動距的大小。當工作面推進至151 m時,地表點A27下沉量已經達到102 mm,處于下沉活躍階段，由于下沉曲線趨于一條水平直線，故未在圖中給出。因此,開采過程中的啟動距處于100～150 m之間。為了較準確獲取啟動距,根據前幾次的最大下沉值及對應的工作面推進距離數據,利用最小二乘原理擬合出最大下沉值與推進距離之間的函數關系,并以此確定啟動距,參與擬合的數據見表1。

擬合后的數學模型為:

fx=0.014 79x2-17.16x+1 637 .

(4)

式中:x為工作面推進距離,m;fx為最大下沉量,mm。

根據公式(4),把-10 mm代入上述公式,解得x=105 m,因此啟動距為105 m。

表1 地表最大下沉值與工作面推進距離Table 1 The maximum surface subsidence and the driving distance of working face

最大下沉速度滯后角與上覆巖層性質、工作面推進速度及重復采動等因素有關。掌握地表最大下沉速度滯后角的變化規律,可以確定回采過程中對應的地表劇烈移動的時間和位置,這些參數對采動地面保護具有重要的實踐意義。

地表最大下沉速度滯后角與滯后距離的關系為:

(5)

式中:l為最大下沉速度點滯后工作面的距離,m;h0為煤層的平均開采深度,m,h0=246 m;φ為最大下沉滯后角,(°)。

根據走向線的下沉速度確定地表最大下沉速度點與工作面推進位置的關系,按式5計算最大下沉速度滯后角φ,計算結果如表2所示,平均值為57°。

表2 最大下沉速度滯后角計算表Table 2 Calculation table of the maximum subsidence speed and lag angle

傾斜和水平變形值偏大,說明松散層抗拉性較差;啟動距偏小進一步表明松散層地表受地下采動影響較大,采動影響傳到地表后,地表立即出現沉陷變形;最大下沉速度滯后角偏大主要受松散層自身荷載作用所致,工作面推過后,上覆巖層開始垮落,由于厚松散層自身荷載,使上覆巖層垮落更嚴重,導致地表下沉量較大。

4 結論

厚松散層首采工作面受松散層抗拉性較差和自身荷載等特點影響,使地表沉陷變形量相對較大,走向最大下沉值3 059 mm,傾向最大下沉值2 707 mm,走向最大傾斜值為-44.3 mm/m,傾向最大傾斜值為37.6 mm/m,走向最大水平變形值為35 mm/m,傾向最大水平變形值為-21 mm/m。地表移動在走向方向上達到超充分采動,在傾向上接近于充分采動。