高強(qiáng)度開采地表移動(dòng)變形規(guī)律研究
——以曹家灘礦為例

＊王路 楊維弘 李錦明 陳飛 包函 蔣超

（1.陜西陜煤曹家灘礦業(yè)有限公司 陜西 719000 2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）國家煤礦水害防治工程技術(shù)研究中心 北京 100083）

煤炭作為我國的主體能源物質(zhì)煤炭，其為我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展起到了重要的作用，但是煤炭企業(yè)在追求高強(qiáng)度回采的同時(shí)也給脆弱的生態(tài)環(huán)境帶來了不可逆轉(zhuǎn)的災(zāi)害問題，例如地表塌陷[1-3]。國內(nèi)科研學(xué)者自20世紀(jì)60年代開始對(duì)礦區(qū)開采引起的地表沉陷問題進(jìn)行了大量的研究，特別是東部礦區(qū)，獲得了優(yōu)秀的成果[4-7]。目前，科研工作者已經(jīng)對(duì)該地區(qū)的地表移動(dòng)變形規(guī)律進(jìn)行了大量研究，也取得了許多可喜的成果。湯伏全[8]建立了西部黃土層礦區(qū)開采沉陷預(yù)計(jì)模型，分析總結(jié)了西部黃土礦區(qū)開采沉陷中的土巖耦合效應(yīng)；陳永新[9]結(jié)合數(shù)值模擬軟件分析了重復(fù)采動(dòng)條件下巖層與地表移動(dòng)變形機(jī)理；鄭志剛[10]分析了厚松散層下一次采全高工作面開采后地表移動(dòng)變形規(guī)律，得出了預(yù)計(jì)參數(shù)和各種角值。

針對(duì)西部地區(qū)特別是地處生態(tài)脆弱區(qū)的榆神礦區(qū)，覆巖運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)了各種差異性特征問題。本文以榆神礦區(qū)曹家灘礦井首采工作面為例，探討我國西部高強(qiáng)度煤炭礦區(qū)開采沉陷影響規(guī)律，以期對(duì)該地區(qū)其他礦井開展地表巖移規(guī)律的研究具有重要的借鑒意義。

1.工程概況

曹家灘礦井地表地貌以新月型沙丘地貌為主，大部分區(qū)域風(fēng)積沙層所覆蓋，地表分布有部分植被。工作面煤層開采煤層為2-2煤，位于延安組第四段頂部，工作面傾向長度為350m，推進(jìn)長度約為6.2km；煤層平均埋深為281m；平均傾角3°左右；煤層平均厚度為11.2m，采用分層大采高綜采工藝，上分層采高平均為7.0m。工作面回采導(dǎo)致了地面沉陷，對(duì)房屋、供水井造成了一定影響。

2.觀測站設(shè)計(jì)與觀測

(1)地表移動(dòng)觀測線設(shè)計(jì)

本文為研究高強(qiáng)度工作面開采后地表的移動(dòng)變形規(guī)律，在122106工作面沿走向和傾向各布置了一條觀測線，各測線長度設(shè)計(jì)如下：

①走向觀測線沿采空區(qū)中線布置，測線長度按照式（1）計(jì)算：

式中：H0—回采工作面的開采深度，取330m；δ—走向移動(dòng)角，取63°；h—土層厚度，一般為140m；△δ—走向移動(dòng)角的修正值，一般取20°；φ—松散層移動(dòng)角，取45°。

根據(jù)地表移動(dòng)觀測站設(shè)計(jì)原則，走向觀測線的長度應(yīng)足夠控制沉降區(qū)的移動(dòng)特征，依據(jù)公式（1）計(jì)算得出，LZ應(yīng)不小于687.5m。

②傾向觀測線垂直于走向觀測線布置，傾斜觀測線距開采工作面開切眼距離D1、距工作面停采線的距離D3必須滿足式（2）：

由計(jì)算可知，測線到開切眼的距離應(yīng)大于343.7m。傾向線的長度按照公式（3）計(jì)算。根據(jù)觀測要求可知，傾向線應(yīng)必須控制整個(gè)盆地，且也能確保觀測線的兩端不受開采影響，其長度由計(jì)算可知應(yīng)不小于1047.5m。

(2)觀測點(diǎn)的埋設(shè)

根據(jù)曹家灘煤礦首采122106工作面的鉆孔資料可知，122106工作面的煤層平均深度為340m，本次觀測點(diǎn)的點(diǎn)間距選取距離為25m。根據(jù)2.1節(jié)中移動(dòng)觀測線設(shè)計(jì)，傾向線的長度選擇為1047.5m，切眼距離D1取418.7m，傾向線上共布置43個(gè)測點(diǎn)，編號(hào)為A1～A43；走向線長度依據(jù)設(shè)計(jì)確定為687.5m，共布置測點(diǎn)29個(gè)，編號(hào)為Z1～Z29；兩條測線的控制點(diǎn)分別設(shè)置在測線兩端。

3.地表移動(dòng)變形參數(shù)及規(guī)律實(shí)測研究

(1)地表下沉規(guī)律分析

根據(jù)測量要求，本次觀測工作歷時(shí)12個(gè)月，觀測次數(shù)為26次。各期的實(shí)測數(shù)據(jù)如下圖1和圖2所示。

圖1 傾向觀測線（A線）動(dòng)態(tài)下沉圖

圖2 走向觀測線（Z線）動(dòng)態(tài)下沉曲線圖

根據(jù)圖1所示的傾向觀測線動(dòng)態(tài)下沉圖可知，隨著工作面的不斷向前推進(jìn)，傾向線上各測點(diǎn)的下沉值呈逐步增大趨勢。當(dāng)進(jìn)行第2期觀測時(shí)，測線中部A21附近的測點(diǎn)開始有微動(dòng)，地表開始下沉進(jìn)入起動(dòng)期。當(dāng)觀測進(jìn)行到第4期時(shí)，累積下沉值為1.05m，較前三期增大約1m，進(jìn)入到地表下沉活躍期。在第5期的觀測中，地表的累積最大下沉已達(dá)到3.05m，較第3期的下沉值增大了約2m。當(dāng)進(jìn)行第6期觀測時(shí)，測線中部最大的下沉值達(dá)到3.302m，較第4期增加了約0.3m。通過對(duì)比得出，地表沉降的活躍期已經(jīng)結(jié)束，開始進(jìn)入地表移動(dòng)的衰退期。從第6期開始至觀測結(jié)束，下沉值基本維持在3.350m，最大下沉點(diǎn)發(fā)生在A21測點(diǎn)。地面沉降主要集中在采空區(qū)范圍，但影響范圍延伸至采空區(qū)兩邊75m。

根據(jù)圖2所示的走向觀測線（Z線）動(dòng)態(tài)下沉曲線圖的變化趨勢可知，當(dāng)工作面推進(jìn)至91m時(shí)（第3期）測點(diǎn)開始變化，主要沉降范圍在Z16～Z21測點(diǎn)之間，下沉值維持在0.1m左右。下沉盆地范圍隨著工作面的推進(jìn)不斷擴(kuò)大，最終呈現(xiàn)出半無限盆地形態(tài)。當(dāng)?shù)乇硪苿?dòng)進(jìn)入到衰退期時(shí)，地表最大下沉發(fā)生在Z19測點(diǎn)，最大下沉值為4.173m。

綜合上述走向與傾向的觀測線變化規(guī)律可以得到，巖層下沉主要分為起動(dòng)期-活躍期-衰退期三個(gè)階段，其中起動(dòng)期與活躍期的持續(xù)時(shí)間基本相同，均為2個(gè)檢測間期長，之后為較長時(shí)間的衰退期。說明巖層的下沉運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生與形成都較為迅速，當(dāng)巖層下沉達(dá)到極限后，基本維持穩(wěn)定。

(2)地表移動(dòng)變形參數(shù)

結(jié)合2.1中的理論預(yù)測公式，確定了曹家灘煤礦2-2煤層開采地表巖層移動(dòng)參數(shù)。

①綜合開采邊界角（β0、γ0、δ0為下山、上山和走向方向的邊界角）：0δ=52°，β0=γ0=45°；綜合移動(dòng)角（β、γ、δ為下山、上山和走向方向的移動(dòng)角）：δ=80°，β=γ=77°；綜合裂縫角（β"、γ"和δ"為下山、上山和走向方向的裂縫角）：δ"=84°，β"=γ"=90°。

②充分采動(dòng)角ψ=40.2°；超前影響角w=70.2°；最大下沉速度滯后角F=66.8°。

③運(yùn)用了概率積分法對(duì)半無限開采時(shí)地表移動(dòng)盆地主斷面上的移動(dòng)進(jìn)行了變形預(yù)計(jì)，給出了適合概率積分法的預(yù)計(jì)參數(shù)：平均下沉系數(shù)=0.537；主要影響角正切值tan=4.435；水平移動(dòng)系數(shù)b=0.20；拐點(diǎn)偏移距=76.90m=0.22H；開采影響傳播角θ=86.2°。通過理論預(yù)計(jì)公式對(duì)實(shí)測的地表下沉曲線進(jìn)行了擬合，根據(jù)實(shí)測的數(shù)據(jù)確定的概率積分法參數(shù)滿足礦區(qū)地質(zhì)采礦條件下要求。

4.地表移動(dòng)變形參數(shù)及規(guī)律數(shù)值模擬研究

(1)模型的設(shè)計(jì)和建立

根據(jù)曹家灘煤礦首采工作面布置的補(bǔ)59號(hào)鉆孔數(shù)據(jù)，參考表1中巖石力學(xué)參數(shù)，建立長1000m，高286m的走向模型，觀測工作面走向巖層位移變化規(guī)律，每次開挖1個(gè)周期來壓，共開挖12次，模型左側(cè)設(shè)置50m的邊界煤柱。建立長650m，高286m的傾向模型，觀測工作面傾向巖層位移規(guī)律，一次開挖工作面寬度350m，模型左側(cè)、右側(cè)各設(shè)置150m的邊界煤柱。兩模型開挖2-2煤，工作面采高7m，模型左右邊界采用水平約束條件，模型下邊界為固定邊界。

兩個(gè)模型各設(shè)置7條測線，測線A、B、C、D、E、F、G分別觀測直接頂、基本頂、關(guān)鍵層、觀測巖層和土層分界面、紅土層、黃土層和地表的位移變化規(guī)律。

(2)模擬結(jié)果分析

本文選取了開采過程中初次來壓和工作面開挖800m后，覆巖垮落和測線下沉曲線圖如圖3和圖4所示。

圖3 初次來壓覆巖垮落及測線下沉曲線

由圖3可知，初次來壓直接頂垮落明顯，基本頂有下沉，下沉不明顯，其余巖層沒有明顯下沉，測線A最大下沉量為5.96m，下沉量最大值出現(xiàn)在回采后采空區(qū)中部位置。

由圖4可知，當(dāng)工作面開挖至800m時(shí)，覆巖破壞基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，各測線呈現(xiàn)出下沉盆地的形態(tài)。測線A、B、C、G最大的下沉值分別為6.75m、6.15m、5.75m和4.21m。因此，在回采穩(wěn)定后可知表明地表下沉在第七次來壓后就趨于穩(wěn)定，最大下沉量為4.21m。

圖4 工作面開挖800m覆巖垮落及測線下沉曲線

通過數(shù)值模擬分析可知，地表沉降量及下沉區(qū)域約為煤層直接頂?shù)?/3。說明該地質(zhì)條件下采動(dòng)覆巖縱向方向上溝通性較強(qiáng)，直接頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)下沉?xí)^為直接的溝通地表造成地表移動(dòng)下沉現(xiàn)象。

5.結(jié)論

（1）對(duì)曹家灘煤礦首采工作面進(jìn)行了地表移動(dòng)觀測設(shè)計(jì)。通過數(shù)據(jù)分析得到：巖層下沉主要分為起動(dòng)期-活躍期-衰退期三個(gè)階段，其中起動(dòng)期與活躍期時(shí)間較短均為2個(gè)間期，巖層下沉主要在活躍期內(nèi)完全形成；之后為長時(shí)間的衰退期，下沉幅度達(dá)到極限，巖層沉降基本維持穩(wěn)定。

（2）通過觀測數(shù)據(jù)的分析，得到了適合概率積分法應(yīng)用的各項(xiàng)預(yù)計(jì)參數(shù)：平均下沉系數(shù)為0.537；主要影響角正切值tan=4.435；水平移動(dòng)系數(shù)b=0.20；拐點(diǎn)偏移距為76.90m；開采影響傳播角θ=86.2°。

（3）采用UDEC模擬軟件模擬了煤層開采時(shí)地表巖層移動(dòng)過程。發(fā)現(xiàn)采動(dòng)覆巖縱向方向上溝通性較強(qiáng)，直接頂垮落會(huì)直接溝通地表造成地表沉降，地表沉降量及下沉區(qū)域約為煤層直接頂?shù)?/3，走向、傾向方向地表的最大下沉量分別為4.21m、3.36m，與實(shí)測數(shù)據(jù)4.173m、3.350m擬合度為99.7%，證明模擬過程及結(jié)果符合實(shí)際。