厚松散層大采深多工作面接續開采地表移動規律研究*

孔素麗，韓永斌，2

(1.中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.中煤科工生態環境科技有限公司，北京 100013)

目前，礦區在開展“三下采煤”工作時，多數礦區地表沉陷預計參數是基于采深小于600 m的淺部開采條件下獲得的，隨著開采深度的增加，地質條件和采煤方法發生了很大變化，礦井開采地質力學結構與淺部開采相比發生明顯的改變，深部開采地表移動特征也呈現出不同于淺部開采時的地表移動和變形特征[1-5]。如仍采用淺部開采時的巖移參數，可能造成留設煤柱范圍外的建(構)筑物發生損壞，起不到保護地面建(構)筑物的作用。

為研究該地質條件下的地表移動變形規律，自2012年5月，錢家營礦在十采區7煤層首采2075W工作面上方沿鐵路建立地表觀測站，至2019年10月，十采區7煤層各工作面回采完畢，獲取了大量的地表移動觀測實測數據。根據各工作面不同回采時間分別獲取了單一煤層開采下和多工作面連續開采時的地表移動巖移參數和角量參數。通過對實測數據的分析和整理，總結了該地質條件下不同工作面采寬時巖層與地表移動變形特征[6-7]。

1 項目概況

1.1 地質采礦條件

錢家營礦十采區主采7煤層，煤層傾角1°～9°，平均為7°；平均開采厚度4.1 m，開采深度703～734 m，主要為砂土卵石和粘土卵石組成，煤層頂板巖性為深灰色粉砂巖,老頂為淺灰色細砂巖,底板巖性為深灰-灰褐色粉砂巖。走向長壁式采煤法,全部垮落法管理頂板。

該區域地表地勢平坦，多為農田，煤系地層為第四系沖積層所覆蓋，平均厚度為120 m。

錢家營礦于2012年7月開始回采十采區7煤層，規劃開采第一個綜采工作面為2075W工作面，回采時間為2012年7月～2013年4月，之后向北回采2076W綜采工作面，回采時間為2015年7月～2016年5月；2077W綜采工作面位于2076W工作面以北，回采時間為2018年9月～2019年10月。各工作面開采技術條件如表1所示。

表1 各工作面開采技術條件

1.2 觀測站概況

區域地面平均標高21.2 m，大部分為農田，零星分布樹林和養殖廠，錢呂公路、錢呂鐵路南北方向橫穿工作面，有高壓線和溝渠沿鐵路方向布設。2012年5月在首采2075W工作面上方沿錢呂鐵路建立一條傾向觀測線。觀測線初始長約3.0 km，共有96個工作測點，平均間距25 m ；觀測線兩側延伸方向各設3個控制點，平均間距100 m。后因60～96之間大部分工作測點丟失以及工作面向北規劃開采，對觀測點進行調整，取1～51號工作測點觀測數據為基準進行分析。隨著開采規劃向北延伸，陸續新建工作測點14個，至2077W工作面回采時，地表移動觀測工作測點共65個，觀測線長約2.0 km，觀測站布置如圖1所示。

圖1 觀測站布置示意圖

2 地表觀測站數據分析

2.1 地表移動觀測站實測數據匯總

觀測站自2012年5月建成，2012年7月進行了連接測量和首次全面觀測，至2075W首采工作面回采完畢，工作面上方最大下沉644 mm，地表移動變形較小，地表未發現明顯的地裂縫，周圍建(構)筑物和設施未受到明顯的開采影響。至2076W工作面回采完畢，期間共進行了11次水準測量，受單一煤層連續開采的影響，地表移動變形劇烈，鐵路路基變形明顯，鐵路部門對鐵路進行了維修加固，對路基重新進行了起坡壓實。由于觀測站延續時間長、工作面連續開采強度大，地表移動變形破壞較大，部分下沉盆地內觀測點遭到破壞或者變形，因此首先對實測數據進行計算、平差，之后進行實測曲線的繪制和擬合，擬合后的累計最大下沉值約為2.0～2.1 m。至2077W工作面和9煤層2096工作面回采完畢，期間共進行了17次水準測量，工作面上方出現了明顯的下沉盆地，由于觀測站周邊大部分為農田，地裂縫不明顯，但觀測站周邊建(構)筑物出現了明顯的損壞，如圖2所示，鐵路線路出現明顯的起伏，鐵路部門對鐵路進行多次維修，并對路基重新進行墊平、壓實，至2077W工作面回采結束，地表擬合累計最大下沉值約為2.1～2.2 m。各工作面回采后的實測數據如表2所示。

表2 各工作面回采后的實測巖移參數

圖2 地表變形照片

2.2 觀測站受工作面開采影響分析

由于地表移動變形劇烈，導致下沉盆地內的部分點位損毀，因此在本次實測數據的基礎上擬合后得到各觀測時期的下沉曲線圖，如圖3所示，完整展示了隨著多工作面的接續開采，地表移動盆地的形成過程。

為了分析整個十采區地表移動變形特征，以2012年7月首次觀測結果為初始值，計算不同工作面回采寬度下地表移動變形情況。2075W首采工作面回采寬度195 m，傾向方向上寬深比為0.29，地表移動變形不大，地表最大下沉值僅為644 mm，體現了極不充分采動的特征；受2076W工作面連續開采的影響，整個十采區開采工作面回采寬度累計增加到400 m，傾向方向上寬深比為0.57，地表移動變形加劇，地表累計沉降值約為2.0～2.1 m；2077W工作面回采完畢后，工作面回采寬度累計600 m，傾向方向上寬深比為0.85，觀測地表最大下沉值約為2.1～2.2 m。

2.3 地表移動與變形分布形態分析

根據圖3和實測數據，7煤層首采工作面回采結束后，最大下沉點位于31號點，拐點位于工作面開采邊界外側36號點和26號點(即最大下沉值的一半位置處)，偏向煤柱方向；2076W工作面回采后，最大下沉點移至26號點，拐點移至工作面邊界外18號點；2077W工作面回采后，由于地表移動變形劇烈，盆地內9～25號點塌陷，最大下沉點和拐點位置無法實測確定，根據曲線擬合的最大下沉點位于16～17號點之間。綜合分析各煤層回采結束后，沿盆地主斷面的下沉曲線(煤層傾角較小)大致位于采空區正上方，基本以最大下沉點為中心對稱分布，下沉曲線拐點向采空區偏移，拐點處下沉值略大于最大下沉值的一半。

圖3 觀測下沉曲線圖

根據緩傾斜煤層淺部開采地表移動變形規律，在非充分采動條件下，地表最大下沉點只有一個，且未達到該地質采礦條件下的最大值。在充分采動條件下，地表最大下沉曲線出現平底，且平底處的下沉值達到了相應地質采礦條件下的最大值。當采空區長度和寬度達到或者超過1.2～1.4H時，地表移動可達到充分采動。十采區多工作面受開采寬度的限制，傾向方向表現為非充分采動下的地表移動形態，即傾向方向上的任意點的下沉值均未達到該地質采礦條件下應有的最大值，具體表現為2075W工作面回采結束后，地表最大下沉值僅644 mm，只占到平均采厚(4 m)的16%；2076W工作面連續開采后，煤層傾向方向累計工作面開采寬度增加，地表移動變形范圍擴大，地表最大下沉值繼續增加，最大下沉值約占平均采厚的52%；至2077W工作面回采結束，累計地表最大下沉值約占平均采厚的60%，多工作面的疊加開采寬度(590 m)仍小于充分采動條件下所需的最小寬度(1.2H)，地表最大下沉值雖然較之前最大下沉值繼續增大，但是最大下沉量和最大下沉速度有所減緩，尚未達到充分采動下地表下沉的最大值。

3 地表移動特征分析

根據理論研究[8-9]，煤層初次采動時，上覆巖層經歷冒落、裂縫和彎曲，巖層原始狀態遭到破壞，巖層強度減弱。重復開采時，冒落帶還沒有得到充分壓實，經受初次開采破壞的巖體進一步破碎，使得巖層和地表的破壞程度加劇，破壞范圍加大，因此多煤層接續開采時，邊界角減小5°～10°，移動角減小10°～15°，地表下沉速度增加，移動持續時間縮短，超前影響角減小，滯后角增大。

由于工作面連續向上山方向開采，根據觀測數據計算了多工作面接續開采時下山方向綜合邊界角為51°，根據全面觀測數據擬合求取了下山方向綜合移動角為73°，比單一煤層采動時地表移動邊界角略小，基本符合煤層重復采動下角值的變化趨勢。

隨著開采深度的逐步增大，地表最大下沉值變化不大，而地表移動范圍增大，因此地表各項變形值減小，地表移動變形比較緩慢、均勻，地表最大下沉速度變小，而移動持續時間較長。

根據該采區近十年的實測資料可知，首采2075W工作面回采結束后，地表移動變形不明顯，地表未發現明顯的地裂縫；隨著后期多工作面接續開采，地表開始出現塌陷和地裂縫。和一般開采條件下的下沉曲線相比[10]，錢家營礦十采區7煤層開采劇烈活躍期較短，一般只占整個移動時間的10%～15%，實測下沉曲線下沉值相對集中，綜合移動角值較大；而衰退期時間較長，占整個移動時間的80%～85%，綜合邊界角較小，地表最大下沉速度較小，最大20.9 mm/d，對地面建構(筑)物的破壞程度相對較小。

4 結 論

本文根據實測數據分析總結出厚松散層大采深地質條件下多工作面接續開采地表移動的變形特征：隨著工作面的接續開采，實測下沉曲線變形分布相對集中，下沉盆地陡峭，地表移動變形主要集中于活躍期，活躍期較短，一般只占整個移動時間的10%～15%，而下沉量占地表總沉降量的90%以上；衰退期時間較長，占整個移動時間的80%～85%；綜合移動角值較大，綜合邊界角較小。