趙固礦區厚松散層下開采地表移動特征實測研究

許國勝，許勝軍，李德海，李回貴

(1.貴州工程應用技術學院礦業工程學院，貴州 畢節 551700；2.河南理工大學礦業研究院，河南 焦作 454000)

松散層又稱沖積層，是指由河流流水搬運過來的碎巖屑沉積，在河床較平緩地帶形成的沉積物，由于松散層的土體呈松散狀態，也稱松散介質[1-2]。松散層土體受外力作用后具有部分流動性，幾乎不具有抗拉伸能力，抗變形能力較差[3]。在我國的華東地區、華中地區、華北地區等地區地層上部覆蓋有厚的松散層，該區域進行煤炭開采面臨著諸多問題。開采沉陷是一個十分復雜的物理、力學變化過程，也是巖層自下而上地產生移動和破壞的過程，這一過程又受到多種因素的影響[4-5]。由于煤層上部覆蓋有較厚松散層土體，使得該地區受到采動后，地表沉陷顯現出特殊的規律[6-10]。為礦區地表建筑物保護、村莊搬遷以及水利設施保護提供參考依據，在趙固礦區兩個礦井(趙固一礦和趙固二礦)的首采面布置了地表移動觀測站，在工作面開采前后及過程中進行觀測工作，對于研究地表移動變形提供了可靠的數據。本文通過對實測地表沉陷數據進行分析，求取地表沉陷概率積分法參數，對地表下沉盆地特征以及地表移動角量參數進行研究。研究成果不僅對現場地表構筑物的保護及治理提供技術依據，而且豐富了厚松散層條件下地表移動變形規律的理論研究。

1 趙固礦區地表移動觀測站

1.1 趙固一礦11011工作面及地表觀測站

趙固一礦11011工作面為該礦首采工作面，工作面平均采深573 m，工作面推進長度1 400 m，傾斜長度180 m，平均采高3 m，傾角2°～6°，該工作面采煤方法為綜采，全部陷落法管理頂板，平均推進速度3.6 m/d。根據工作面范圍內鉆孔資料分析，11011工作面區域上覆地層第四系松散層層厚520 m，基巖巖厚約53 m。

在工作面上方地表布置了3條觀測線，由于部分觀測線觀測點后期遭到損壞，實際觀測工作中主要采用傾向觀測線55個觀測點觀測數據，地表觀測線與井下工作面的相對位置關系見圖1。

圖1 趙固一礦11011工作面地面觀測站布置圖Fig.1 Layout of monitoring stations over panel 11011 in Zhaogu No.1 mine

1.2 趙固二礦11011工作面及地表觀測站

趙固二礦11011工作面為該礦首采工作面，該工作面走向長度為2 266.9 m，傾向長度180 m，煤層平均厚度為6.16 m，傾角為5.5°，采用分層開采，開采厚度為3.5 m；根據該工作面范圍內鉆孔資料分析，松散層的厚度為611.8 m，基巖巖厚為78.2 m。

工作面地表有村莊及其他構筑物，因此根據地表的實際情況將觀測線布置成折線形狀。走向觀測線Ⅰ布置70個觀測點，傾向觀測線Ⅱ共布置68個觀測點。 地表移動觀測站與工作面的相對位置見圖2。

圖2 趙固二礦11011工作面地表觀測站布置平面圖Fig.2 Layout of monitoring stations over panel 11011 in Zhaogu No.2 mine

2 厚松散層下開采概率積分法參數求取

概率積分法作為影響函數法中典型的預計方法，是目前我國較為成熟、應用最為廣泛的地表移動變形預計方法之一[11]。因此，本文利用Origin數據處理軟件，將觀測站實測代入概率積分預計公式進行擬合計算，得出的走向和傾向方向地表移動變形擬合曲線[12-13]。

2.1 趙固一礦11011工作面地表觀測數據擬合

根據趙固一礦11011工作面地質和開采資料，判斷該工作面在走向方向上屬于超充分采動，而在傾向方向上屬于非充分采動。通過Origin8.5軟件將地表觀測站傾向觀測線55個觀測點的實測數據代入有限開采傾向主斷面地表移動變形預計公式，見式(1)，進行曲線擬合，得到傾向斷面概率積分法預計參數，見表1，擬合曲線如圖3所示。由于地表部分觀測點后期遭到破壞，造成圖3中右側觀測值與擬合曲線相差較大。

圖3 趙固一礦11011工作面傾向主斷面擬合曲線Fig.3 Fitting curve on the dip main section of panel 11011 in Zhaogu No.1 mine

表1 趙固一礦地表概率積分法參數Table 1 Parameters of surface probability integral method in Zhaogu No.1 mine

(1)

式中：w(y)為傾向主斷面地表下沉值，m；w0為該地質條件下地表最大下沉值，m；r1、r2為傾向主斷面上山、下山主要影響半徑，m；s1、s2為傾向主斷面上山、下山拐點偏移距，m。

2.2 趙固二礦11011工作面地表觀測數據擬合

根據趙固二礦11011工作面地質資料和開采資料，判斷該工作面在走向方向上屬于超充分采動，而在傾向方向上屬于非充分采動。通過Origin8.5軟件將地表觀測站傾向觀測線48個觀測點的實測數據代入式(1)，進行曲線擬合，得到傾向斷面概率積分法預計參數，見表2，擬合曲線見圖4。

圖4 趙固二礦11011工作面傾向主斷面擬合曲線Fig.4 Fitting curve on the dip main section of panel 11011 in Zhaogu No.2 mine

表2 趙固二礦11011工作面傾向概論積分法參數Table 2 Parameters of probability integral method on the dip of panel 11011 in Zhaogu No.2 mine

對于該工作面上覆下沉盆地走向主斷面的下沉數據，利用Origin8.5軟件將地表走向觀測線的34個觀測點的實測數據代入式(2)，進行數據擬合，得到走向概率積分法預計參數，見表3，擬合曲線見圖5。

圖5 趙固二礦11011工作面走向主斷面擬合曲線Fig.5 Fitting curve on the strike main section of panel 11011 in Zhaogu No.2 mine

表3 趙固二礦11011工作面走向概論積分法參數Table 3 Parameters of probability integral method on the strike of panel 11011 in Zhaogu No.2 mine

(2)

式中：w(x)為走向主斷面地表下沉值，m；Wy為地表傾向主斷面最大下沉值，m；r為走向主斷面主要影響半徑，m；s0為走向主斷面拐點偏移距，m。

結合地表走向和傾向觀測線特征點和曲線擬合求取預計參數的方法，確定出趙固二礦11011工作面地表概率積分預計參數，見表4。

表4 趙固二礦地表概論積分法參數Table 4 Parameters of probability integral method in Zhaogu No.2 mine

3 地表概論積分法預計參數分析

通過對比發現該地區概論積分法預計參數與一般地質采礦條件下的參數有很大的差別，體現了厚松散層下開采地表移動變形所特有的規律。

1) 下沉系數較大。文獻資料表明，部分礦區在松散層下開采下沉系數為0.85～1.20，根據趙固一礦和趙固二礦地表觀測數據得到的下沉系數分別為0.93和0.91，分析兩個礦煤層上部基巖與第三系松散層、第四系松散層的組成可知：趙固一礦煤層上部基巖厚度為53 m，第三系松散層、第四系松散層厚度為520 m，松散層厚度占比為90.75%；趙固二礦煤層上部基巖厚度為78.2 m，第三系松散層、第四系松散層厚度為611.8 m，松散層厚度占比為88.67%。因此，可以判斷上覆巖中松散層厚度占比越大，其下沉系數就越大。

2) 主要影響角正切值偏小。在概率積分法中tanβ是指工作面平均開采深度與主要影響半徑的比值，反映了地表移動和變形范圍，主要取決于覆巖巖性。由于松散層具有流變特性[13-14]，增大了地表移動范圍大，造成了tanβ值隨覆巖中松散層厚度占比的增大反而減小。

3) 拐點偏移距異常。拐點偏移距的大小主要與采空區頂板巖性有關，頂板越堅硬，巖層移動后形成的懸臂效應就越強，拐點偏移距就越大，反之則越小。該地區松散層厚度占上覆巖土層的比重較大，松散層土體強度較低，一方面頂板懸臂效應大大減??；另一方面，采動作用下松散層含水層失水孔隙水壓力降低，在采動壓力作用下，應力拱軸線周圍松散層土體，有效應力增加，產生土體固結壓縮變形，增加了地表移動盆地在開采邊界處的下沉，引起拐點偏移距減小或者為負值。

4) 地表下沉盆地邊緣收斂過慢。造成拐點偏移距減小或者為負值，而且厚松散層覆蓋地區地表下沉盆地邊緣收斂過慢，會出現概率積分法函數在下沉盆地中間區域擬合較好、下沉盆地邊緣擬合較差的現象。具體見圖6。

圖6 下沉盆地邊緣曲線擬合誤差示意圖Fig.6 Curve fitting error diagram of subsidence basin edge

由于較厚松散層的存在，導致地表移動盆地形態邊緣部分收斂緩慢的現象，主要是因為傳統的概率積分預計方法是基于隨機介質理論推導出來的，沒有考慮不同巖土體的沉陷特性。因此，鑒于基巖和厚松散層沉陷特性的不同，后期可以考慮將上覆巖層分為基巖和松散層兩部分來考慮，從而實現厚松散地區地表移動變形的準確預計。

4 地表移動角量參數

地表移動角量參數是描述地表下沉盆地與采空區相對位置、影響范圍大小及特征的參數。角量參數主要與工作面地質條件(煤層埋深、煤層傾角、覆巖結構等因素)和采礦條件(工作面采動程度、開采高度等因素)相關。由于該地區第三系、第四系松散層厚度較大，松散層移動角取一般情況下的45°顯得不準確，因此，在求取邊界角和移動角時，應考慮綜合邊界角和移動角。由于趙固一礦和趙固二礦首采面煤層傾角較小，一般為5°左右，屬于近水平煤層，本次對于角量參數主要以走向方向角量參數為主。依據上述數據擬合概論積分法參數進行計算，分別得到趙固一礦和趙固二礦地表移動各角量參數，見表5。

表5 趙固礦區走向地表移動角量參數Table 5 surface movement angle parameters on the strike of Zhaogu mine area

由表5可知，趙固一礦地表移動各角量參數(移動角、邊界角、充分采動角以及最大下沉角)均小于趙固二礦參數，分析認為主要是前者覆巖中松散層厚度占比較大的原因造成的。

5 結 論

1) 通過在趙固礦區地表建立移動觀測站，對厚松散層下開采引起的動態地表移動特征進行了現場實測，通過曲線擬合方法，得到了該礦區地表移動概論積分法參數。

2) 通過概論積分法參數分析研究了該地質采礦條件下的動態地表移動特征。研究表明：松散層對地表沉陷規律起著非常重要的作用，覆巖中松散層厚度占比越大，地表下沉系數越大，而主要影響角tanβ反而越小。在采動壓力作用下，應力拱軸線周圍松散層土體，有效應力增加，土體固結壓縮變形，使得拐點偏移距減小或者為負值，地表下沉盆地邊緣收斂過慢。

3) 根據地表觀測站實測以及概論積分法函數，得到了趙固一礦和趙固二礦的地表移動參數。 同時表明趙固一礦覆巖中松散層厚度占比較大，引起趙固一礦地表移動各角量參數(移動角、邊界角、充分采動角以及最大下沉角)均小于趙固二礦參數。