巨厚煤層高強度開采地表移動特征及機理研究*

韓永斌，孔素麗

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司，北京 100013；2.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012；3.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

西北黃土高原區(qū)某煤礦巨厚煤層放頂煤開采，將會影響到地面550 kV高壓輸電線塔，為了能夠最大限度回收煤炭資源，并使井下開采不對高壓線塔造成致命傷害，需掌握煤層開采過程中高壓線塔的移動變形情況。一般厚煤層綜放開采將引起地表出現(xiàn)非連續(xù)變形。所謂非連續(xù)變形是指煤層開采后地表的移動和變形在空間和時間上是不連續(xù)的，且其變形分布沒有嚴格規(guī)律，地表可能出現(xiàn)較大的裂縫、臺階和塌陷坑[1]。國內(nèi)許多研究人員對巨厚煤層綜放開采進行了深入研究，并取得了一些研究成果供借鑒[2-5]。弄清非連續(xù)變形發(fā)生的機理，是進行非連續(xù)變形計算的基礎(chǔ)[6]。為了確保礦井綜放開采有效保護地表高壓線塔，礦井在工作面上方設(shè)立了地表移動觀測站，并在觀測站附近80 m×100 m的區(qū)域內(nèi)布設(shè)高壓線塔模擬監(jiān)測點，監(jiān)測地表移動變形情況，獲得高強度開采地表動態(tài)變形數(shù)據(jù)，分析地表移動特征，總結(jié)地表移動規(guī)律，為高壓線塔下安全開采提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 項目區(qū)概況

1.1 地質(zhì)采礦條件

該區(qū)域地面標高+1 260～+1 330 m，平均標高1 295 m，為丘陵地貌，地表溝谷縱橫，其中由南向北有大南溝橫穿工作面，溝谷平時干枯，雨季形成瞬時洪流通過，整體地勢由南向北逐漸變低。工作面開采5煤層，煤層傾角0°～10°，平均為3°；綜采放頂煤一次采全高，采全高約27 m，在模擬區(qū)域內(nèi)不放頂，只采3.2 m，平均開采深度為300 m。第四系松散層很薄，大部分為基巖，老頂為灰白色中粗砂巖夾砂質(zhì)泥巖，底板巖性灰色砂質(zhì)泥巖或炭質(zhì)泥巖。

1.2 觀測站設(shè)置與觀測概況

在開采工作面上方設(shè)立一條傾向觀測線和半條走向觀測線，共設(shè)工作測點71個，控制點4個。并留設(shè)80 m×100 m區(qū)域不放頂開采，作為模擬電塔實驗區(qū)域，在模擬區(qū)域中心布設(shè)點間距10 m點陣，共30個模擬電塔觀測點，19個模擬電塔，如圖1所示。

圖1 觀測站布置示意圖

觀測工作從2018年8月中旬開始，截至2019年10月28日，共對觀測線進行了12次全面測量，模擬電塔區(qū)于2018年11月29日開始進入每日全面觀測，至2019年2月28日連續(xù)觀測91 d，之后進入每月觀測，取得了大量寶貴的觀測資料，為地表移動規(guī)律研究奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。由于該礦煤層開采厚度大、采深小，綜采放頂煤一次采全高條件下，采動過程中地表移動劇烈，冒落帶和斷裂帶直達地表，出現(xiàn)臺階、地裂縫和塌陷坑等非連續(xù)變形，同時地表大面積塌陷造成大量關(guān)鍵位置的缺失，地表破壞情況如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場監(jiān)測照片

2 地表觀測站觀測數(shù)據(jù)分析

2.1 觀測站受開采影響分析

根據(jù)走向觀測線實測數(shù)據(jù)，在工作面開采過程中，地表移動變形劇烈，地裂縫、臺階發(fā)育，地表大面積快速垮落成一個大塌陷坑，造成了走向線移動盆地上各測點的塌陷破壞，隨著工作面的推進，塌陷坑繼續(xù)擴大，最終形成一個長146 m、寬124 m的大型塌陷坑，自切眼至預計出現(xiàn)最大下沉位置之間的觀測點因地表劇烈塌陷而遭受破壞。傾向觀測線的部分測點也遭到破壞。根據(jù)實測值進行擬合修正后最大下沉點的下沉曲線和傾斜曲線圖如圖3所示。

圖3 傾向線下沉與傾斜實測曲線圖

由圖3可知，地表移動的初始期很短，地表快速進入沉降活躍期，活躍期內(nèi)的移動與變形劇烈且集中，地表出現(xiàn)大范圍塌陷坑，隨后下沉速度快速減小，地表下沉盆地在拐點內(nèi)側(cè)及附近下沉值較大，曲線較陡，地表下沉速度偏大，移動角偏大，邊界角偏小。

巨厚煤層的綜放開采，冒落帶和斷裂帶直達地表，造成彎曲帶缺失，出現(xiàn)臺階、地裂縫和塌陷坑等不連續(xù)地表變形。裂縫分兩種情況，一種是隨著工作面不斷向前推進，在工作面前方動態(tài)拉伸區(qū)不斷出現(xiàn)的動態(tài)裂縫，該裂縫每隔6～10 m出現(xiàn)一條，與回采線大致平行呈弧狀，裂縫寬度一般10～30 mm，發(fā)育成熟之后裂縫逐漸閉合消失；另一種是在工作面兩側(cè)邊界附近下沉盆地邊緣發(fā)生的位置比較固定的裂縫，裂縫方向與采空區(qū)邊界方向基本一致，裂縫寬度一般20～50 mm，伴有較明顯的裂縫帶。

對于地表移動變形的研究，國內(nèi)外專家提出了多種方法，目前，我國各礦區(qū)比較常用的地表移動變形計算方法主要是概率積分法[7-8]。由于該礦煤層開采厚度大、采深小，綜采放頂煤一次采全高條件下，采動過程中地表移動劇烈，冒落帶和斷裂帶直達地表，出現(xiàn)臺階、地裂縫和塌陷坑等非連續(xù)變形，地表移動形態(tài)已不符合概率積分法，同時地表大面積塌陷造成大量關(guān)鍵位置的測點破壞，給巖移參數(shù)的反演帶來了極大影響，研究工作面開采情況與地表塌陷的相互關(guān)系對于指導礦井生產(chǎn)、地面建筑物的安全以及生態(tài)環(huán)境的保護具有重大意義，因此根據(jù)觀測站實測數(shù)據(jù)分析、繪制工作面推進過程中地表塌陷坑的位置關(guān)系圖，計算工作面開采時的超前影響距離和工作面開采后的滯后距離是非常必要的。工作面推進和地表沉陷剖面關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，當工作面接近充分采動時，地表移動超前影響距離為53 m；工作面推進位置距離塌陷坑180 m處時塌陷坑范圍不再擴大。

圖4 工作面推進和地表塌陷坑位置關(guān)系剖面圖

2.2 高壓線塔模擬區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

地下煤層采出后地表點的移動經(jīng)歷了一個由開始移動到劇烈移動，最后到停止移動的全過程，在生產(chǎn)過程中根據(jù)穩(wěn)定后的沉陷規(guī)律還不能很好的解決實際問題，例如在超充分采動條件下，地表下沉盆地會出現(xiàn)平底，在此平底區(qū)域內(nèi)地表下沉相同，地表變形趨近于零，但不能認為在此區(qū)域的建筑物不經(jīng)受變形、不受到破壞。因為在工作面推進過程中該區(qū)域的每個點都要經(jīng)受動態(tài)變形的影響，雖然這種動態(tài)變形可能是臨時的，但同樣動態(tài)變形引起的破壞可能會超過建筑物的允許變形值，使建筑物遭到破壞。因此分析高壓線塔模擬區(qū)是否受到損害，主要是對模擬區(qū)監(jiān)測點活躍期的觀測數(shù)據(jù)進行分析，計算模擬區(qū)監(jiān)測點的最大傾斜值是否超過規(guī)范規(guī)定要求。按照規(guī)范要求，110～750 kV鐵塔的傾斜度允許值不超過10‰(適用于50 m以下高度鐵塔)，橫擔歪斜度不超過10‰。各線塔監(jiān)測點活躍期位移及傾斜變化值如圖5所示。

由圖1可知，模擬區(qū)沿傾向線向北共布設(shè)30個監(jiān)測點，模擬19個高壓線塔，工作面回采至模擬電塔南邊界時對監(jiān)測點進入每日全面觀測，至回采到模擬電塔北邊界共用時20 d，通過分析計算地表移動綜采超前45 m與觀測站實測數(shù)據(jù)計算結(jié)果基本一致。根據(jù)模擬監(jiān)測點活躍期數(shù)據(jù)分析：距放頂煤地帶60 m以內(nèi)區(qū)域，隨綜采回采影響，模擬區(qū)監(jiān)測點最大傾斜值在80‰～240‰，模擬電塔遭到毀滅性破壞。距放頂煤地帶60m以外區(qū)域，監(jiān)測點最大傾斜值在10‰～30‰，處于模擬電塔變形極限值之間。因此放頂煤綜采一次采全高、模擬區(qū)內(nèi)限高開采也不能滿足高壓線塔安全使用，應增大限厚開采面積，確保高壓線塔的安全。

3 地表移動破壞特征分析

當基巖整體輕微破壞時，即采空區(qū)上方垮落帶未超過基巖面且基巖上部處于彎曲帶、巖性完整，基巖可以對上覆松散層起到較好的控制作用，地表下沉表現(xiàn)為巖梁的彎曲下沉；當基巖整體中度破壞時，即采空區(qū)上方垮落帶未超過基巖面且基巖上部分發(fā)生垂直層面的裂縫。大量的采礦實踐表明，基巖的破壞程度主要與基巖巖性、基巖厚度、開采厚度和開采尺寸等因素有關(guān)[9-10]。

(1)開采厚度的影響：開采厚度對于上覆巖層及地表的沉陷過程有較大影響，采厚越大，冒落帶、導水裂隙帶高度越大，地表移動變形值也越大，移動過程表現(xiàn)的越劇烈。根據(jù)我國各煤田的觀測資料分析，兩帶高度一般為采出煤層厚度的11～16倍。該礦的采煤厚度27 m，冒落帶、導水裂隙帶兩帶的高度總和為297～432 m，大于煤層開采深度300 m，兩帶高度直達地表，造成彎曲帶的缺失，地表產(chǎn)生劇烈非連續(xù)變形。

(2)開采深度的影響：隨著開采深度的增加，地表移動范圍增大，而地表下沉值變化不大，因此，地表移動盆地變得平緩，各項變形值減小，因此，在其他條件相同的情況下，地表各項變形值與采深成反比。通常情況下，采用深厚比作為衡量開采條件對地表沉陷影響的粗略估計的指標，深厚比越大，地表移動變形值越小，移動和變形就越平緩；深厚比越小，地表移動與變形就越劇烈，在深厚比很小的情況下，地表的移動和變形在空間和時間上將是不連續(xù)的，移動和變形的分布沒有嚴格的規(guī)律性，地表可能出現(xiàn)大裂縫、臺階狀斷裂，甚至出現(xiàn)塌陷坑。一般我們認為深厚比大于30時，地表移動和變形在空間和時間上才具有明顯的連續(xù)特征和一定的分布規(guī)律，根據(jù)該礦的開采條件，其深厚比約等于11，深厚比很小，特別是該地區(qū)松散層厚度較薄，造成了地表的破壞程度劇烈。

(3)基巖巖性的影響：組成巖石的巖性可分為堅硬、中硬和軟弱三種類型，巖石力學性質(zhì)的不同對地表沉陷過程影響很大。煤層采出后，巖層按破壞程度分為三帶，冒落帶和裂縫帶合稱為冒落裂縫帶，兩帶的高度與巖性有關(guān)，一般情況下，軟弱巖石形成的兩帶高度為采厚的9～12倍，中硬巖石為采厚的12～18倍，堅硬巖石為采厚的18～28倍。根據(jù)該區(qū)域鉆孔資料和觀測站數(shù)據(jù)求得的角量參數(shù)，該地區(qū)巖性為中硬偏軟巖層，兩帶高度約為采厚的12～18倍，大于煤層開采深度，當采用全部垮落法管理頂板時，裂縫帶可發(fā)展到地表，甚至冒落帶直達地表，這時地表和采空區(qū)連通，地表呈現(xiàn)塌陷、臺階或崩落。

綜上所述，由于該礦煤層開采厚度大，采深小，綜采放頂煤一次采全高條件下，采動過程中地表移動劇烈，冒落帶和斷裂帶直達地表，出現(xiàn)了臺階、地裂縫和塌陷坑等劇烈的非連續(xù)地表變形。

4 結(jié) 語

對于巨厚煤層，綜采放頂煤一次采全高條件下，煤層開采強度大，采動過程中地表移動劇烈，冒落帶和斷裂帶直達地表，造成彎曲帶缺失，出現(xiàn)臺階、地裂縫和塌陷坑等非連續(xù)地表變形，地表移動形態(tài)已不符合概率積分法。地表非連續(xù)變形的產(chǎn)生受厚硬覆巖、薄松散層的特殊覆巖結(jié)構(gòu)及深厚比的影響，采動引起冒落帶和斷裂帶直達地表，是地表產(chǎn)生較大非連續(xù)變形的誘導因素。對于有重要建(構(gòu))筑的地區(qū)宜降低開采強度，通過留設(shè)煤柱、限厚開采等措施，合理開采煤炭資源，實現(xiàn)礦山的綠色發(fā)展。