巨厚松散层薄基岩煤层开采沉陷规律实测研究

张鲜妮，王磊．巨厚松散层薄基岩煤层开采沉陷规律实测研究［Ｊ］．矿业安全与环保，２０１５，４２（５）：５０－５３．文章编号：１００８－４４９５（２０１５）０５－００５０－０４应应用用技技术术巨厚松散层薄基岩煤层开采沉陷规律实测研究张鲜妮，王　磊（安徽理工大学测绘学院，安徽淮南２３２００１）摘要：通过地质采矿条件分析和文献研究表明，淮南某矿首采工作面属于巨厚松散层薄基岩覆盖煤层开采条件。基于实测资料，提出了考虑松散层效应的工作面采动程度分析方法，揭示了厚松散层薄基岩煤层开采地表沉陷特殊规律，并从关键层理论角度对沉陷机理进行了科学解释。依据观测站资料，求取了该工作面开采地表沉陷预计概率积分参数，并进一步分析了预计参数特征及产生机理。关键词：巨厚松散层；薄基岩；开采沉陷；概率积分法中图分类号：ＴＤ８２　　　文献标志码：Ａ　　　网络出版时间：２０１５－１０－０８１０：４４网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／５０．１０６２．ＴＤ．２０１５１００８．１０４４．０２２．ｈｔｍｌＳｔｕｄｙｏｎＭｉｎｉｎｇＳｕｂｓｉｄｅｎｃｅＬａｗｏｆＣｏａｌＳｅａｍｗｉｔｈＥｘｔｒａ－ｔｈｉｃｋＬｏｏｓｅ－ｂｅｄＴｈｉｎＢｅｄｒｏｃｋｂｙＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＺＨＡＮＧＸｉａｎｎｉ，ＷＡＮＧＬｅｉ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＳｕｒｖｅｙｉｎｇａｎｄＭａｐｐｉｎｇ，ＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉｎａｎ２３２００１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｇｅｏｌｏｇｉｃａｌａｎｄｍｉｎｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｌｉｔｅｒａｔｕｒｅｓｔｕｄｙｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｆｉｒｓｔ－ｍｉｎｉｎｇｆａｃｅｓｔｕｄｉｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｂｅｌｏｎｇｅｄｔｏｔｈｅｍｉｎｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏａｌｓｅａｍｃｏｖｅｒｅｄｂｙｔｈｅｅｘｔｒａ－ｔｈｉｃｋｌｏｏｓｅ－ｂｅｄｔｈｉｎｂｅｄｒｏｃｋ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｄａｔａ，ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｍｉｎｉｎｇｄｅｇｒｅｅｏｆｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｗｈｉｃｈｔｏｏｋｉｎｔｏｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｌｏｏｓｅｂｅｄｅｆｆｅｃｔｗａｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ，ｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｌａｗｏｆｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｉｎｔｈｅｍｉｎｉｎｇｏｆｔｈｅｃｏａｌｓｅａｍｗｉｔｈｔｈｅｅｘｔｒａ－ｔｈｉｃｋｌｏｏｓｅ－ｂｅｄｔｈｉｎｂｅｄｒｏｃｋｗａｓｒｅｖｅａｌｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎｗａｓｇｉｖｅｎｔｏｔｈｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｆｒｏｍｔｈｅｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｏｆｋｅｙｓｔｒａｔａｔｈｅｏｒｙ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｅｘｐｅｃｔｅｄｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｉｎｔｅｇｒａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｍｏｖｅｍｅｎｔａｎｄｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｏｆｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｆａｃｅｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｄａｔａ，ａｎｄｆｕｒｔｈｅｒａｎａｌｙｓｉｓｗａｓｍａｄｅｏｎｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｅｘｐｅｃｔｅｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｘｔｒａ－ｔｈｉｃｋｌｏｏｓｅｂｅｄ；ｔｈｉｎｂｅｄｒｏｃｋ；ｍｉｎｉｎｇｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ；ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｉｎｔｅｇｒａｌｍｅｔｈｏｄ收稿日期：２０１５－０４－３０；２０１５－０８－１３修订基金项目：安徽省博士后基金项目（２０１４Ｂ０１９）；矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地开放基金项目（ＭＤＰＣ２０１３ＫＦ１４）；安徽理工大学青年基金项目（ＱＮ２０１４０５）作者简介：张鲜妮（１９８３—），女，陕西咸阳人，硕士研究生，助教，主要研究方向为开采沉陷变形监测及其控制。Ｅ－ｍａｉｌ：[e-mail]。　　松散层和岩层由于结构上存在较大差异，导致其在采动过程中除了本身发生固结压缩变形之外，还将对基岩面形成加载，加剧了开采沉陷。因而，厚松散层薄基岩条件下，开采沉陷规律和常规开采沉陷规律表现出较大的差异性。近年来，研究人员通过对中国矿区煤系地层赋存特征和文献资料综合分析，给出了厚松散层和薄基岩的分类标准［１－３］，同时通过实验和模拟研究分析了厚松散层和薄基岩条件下覆岩破断机理及规律［４－５］。在文献［６－８］中，研究人员通过模拟实验研究揭示了厚松散层条件下水砂运移机理和土体开采沉陷变形规律。也有一些文献对厚松散层条件下垮落法开采和条带开采的下沉系数规律进行了分析研究［９－１０］。文献［１１］总结了厚松散层覆盖层浅埋煤层综采工作面的矿压显现规律。尽管国内外学者对厚松散层薄基岩条件下岩层移动规律做了大量研究，但笔者认为仍然存在以下两个科学问题需要进一步深入研究：①考虑松散层·０５·Ｖｏｌ４２Ｎｏ５Ｏｃｔ２０１５　　　　　　　　　矿业安全与环保ＭＩＮＩＮＧＳＡＦＥＴＹ＆ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮ　　　　　　　第４２卷　第５期２０１５年１０月结构效应的采动程度判别；②厚松散层薄基岩条件关键层运动对开采沉陷的影响规律。笔者结合某一观测站实测资料，拟初步对上述科学问题给出合理的解释。１　地质采矿条件及观测站概况１１　地质采矿条件淮南某矿南一采区首采工作面回采长６２０ｍ，宽２０５ｍ，平均采高３３ｍ，煤层近水平，平均倾角约为５°，埋深４９３～５４０ｍ，平均埋深５２８ｍ。根据工作面周围钻孔资料揭示，工作面地质构造相对简单，新生界厚度平均达４４０ｍ，煤层直接顶较薄，以泥岩为主，老顶为粉细砂岩，厚约１１ｍ，简化后的地层柱状图如图１所示。工作面采用综合机械化采煤，一次采全高，全部垮落法控制顶板，工作面推进速度约为６５ｍ／ｄ。图１　地层柱状图１２　巨厚松散层、薄基岩定义巨厚松散层薄基岩煤层开采岩层移动和地表沉陷规律具有一定的特殊性。对于多厚的松散层可定义为巨厚松散层，多薄的基岩可定义为薄基岩，目前尚无明确的界定。文献［２－３］根据中国矿区煤系地层赋存特征和文献资料综合分析认为，松散层可分为薄松散层、厚松散层和巨厚松散层，并给出了具有建设性意义的定量界定：①厚度小于５０ｍ的松散层可称为薄松散层；②厚度超过５０ｍ并小于１００ｍ的松散层可称为厚松散层；③厚度超过１００ｍ的松散层可称为巨厚松散层。研究人员认为薄基岩的定义应当依据煤层开采引起的垮落带、断裂带高度与基岩的厚度关系进行定义［４］，并进一步提出：当基岩厚度小于垮落带高度时称为超薄基岩；当基岩厚度大于垮落带高度而小于断裂带高度时称为薄基岩；当基岩厚度大于断裂带高度时则称为厚基岩。依据上述关于厚松散层和薄基岩的定义，结合本区的地层柱状图综合分析认为：该首采工作面的松散层厚度平均高达４４０ｍ，属于典型的巨厚松散层。研究表明［１２］，当主关键层位于７～１０倍采高覆岩范围内，导水裂隙将发育至基岩顶部，导水断裂带高度等于或大于基岩厚度，而该首采工作面采高为３３ｍ，主关键层距离煤层约２８ｍ，则主关键层恰好位于１０倍采高范围之内，故可近似认为导水断裂带高度等于基岩厚度，因此基岩属于薄基岩范畴。综上分析，该工作面地层赋存特征可定义为巨厚松散层和薄基岩条件。１３　观测站概况在工作面上方地表布置了１条走向和半条倾向观测线。设计走向线长度１５７０ｍ，倾向线长度７５０ｍ，测点间距为３０ｍ，在走向线两端和倾向线一端各布置３个控制点。地表移动观测周期历时１９个月，经历１次连接测量、２次全面观测（首、末次）、２次巡视测量和１９次日常观测。连接测量时，平面观测采用Ｄ级ＧＰＳ，高程测量采用三等水准。全面观测时，平面观测采用ＣＯＲＥＳ系统测量，高程测量采用四等水准。日常观测时，高程测量采用四等水准。数据处理结果表明，连接测量、全面观测、日常观测成果平差后精度均满足《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中的矿山变形监测要求，可作为进一步沉陷规律分析的可靠数据源。２　地表沉陷规律实测研究２１　厚松散层薄基岩工作面采动程度工作面采动程度直接决定地表移动变形量大小，采动程度分析对地表移动规律分析至关重要。传统用宽深比来刻画工作面采动程度，该理论认为［１３］：Ｄ１／Ｈ０、Ｄ３／Ｈ０＜１２～１４时地表为非充分采动；Ｄ１／Ｈ０、Ｄ３／Ｈ０＝１２～１４时地表达到充分采动；Ｄ１／Ｈ０、Ｄ３／Ｈ０＞１２～１４时地表达到超充分采动。其中，Ｄ１、Ｄ３为采空区沿倾向和走向的实际长度；Ｈ０为平均采深。事实上工作面开采的充分性，除了与工作面的宽深比有关外，还与岩土厚度比有关。松散层由于硬度较小，在采动过程中随着基岩面运动，因而松散层厚度对开采充分性的贡献不能完全等同于基岩，存在一定的折减系数，则考虑松散层结构效应的开采充分性指标应定义为：·１５·第４２卷　第５期２０１５年１０月　　　　　　　矿业安全与环保ＭＩＮＩＮＧＳＡＦＥＴＹ＆ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮ　　　　　　　　　Ｖｏｌ４２Ｎｏ５Ｏｃｔ２０１５ｎ＝ＤＨ０－ｋｈ（１）式中：ｎ为走向或倾向采动程度；Ｄ为采空区沿倾向或走向的实际长度；ｈ为松散层厚度；ｋ为折减系数。依据淮南矿区厚松散层工作面采动程度实测数据统计分析得到：ｎ＝ＤＨ０－（１－０２８ｈ／Ｈ０）ｈ（２）由公式（１）和（２），结合首采工作面的地质采矿条件，计算得到走向、倾向采动系数ｎ１≈３３、ｎ２≈１１，则考虑松散层效应后工作面走向为超充分采动，倾向为非充分采动（似充分采动）。２２　采动过程中地表移动变形规律及机理解释２２１　启动距分析实测资料表明，当首采工作面推进约１５６ｍ时，地面ＭＬ５１、ＭＬ６４和ＭＬ６６点处的地表下沉值达到１００ｍｍ，此时地表开始启动，启动距离仅为１５６ｍ。对于常规地质采矿条件而言，启动距／?深的比值约为１／４～１／２，而该首?工作面启动距／?深的比值仅为１／３３８。笔者分析启动距小的原因主要为覆岩中的关键层破断所控制，即当主关键层发生初次破断后，上覆岩土体即随着主关键层发生剧烈运动，且由于巨厚松散层内部结构效应较弱，开采沉陷迅速传播到地面，地表移动进入启动阶段或直接进入活跃期。主关键层初次破断可简化成两端固支下部悬空的岩梁，上覆岩土体简化成载荷Ｑ，则主关键层初次破断距ｌ０计算公式为：ｌ０＝ｈ０２ＲＴ槡Ｑ（３）根据首采工作面地质采矿条件，取关键层厚度ｈ０＝２２６ｍ，关键层上方岩土体简化成载荷约１２ＭＰａ，关键层的抗拉强度ＲＴ＝４０ＭＰａ，计算得到关键层破断距ｌ０＝１８５ｍ。由于主关键层初次破断距与地表启动距１５６ｍ大致相当，这也解释了地表沉陷迅速启动的主要原因。２２２　超前影响角分析实测资料表明，地表超前影响角随着工作面采动程度的增大，有规律地跳跃性减小，超前影响角最终稳定在５６°左右。根据主关键层周期性破断和地表实测资料分析表明，超前影响角发生周期性变化，主要和覆岩中主关键层周期性破断相关，即超前影响角随主关键层周期性破断而发生跳跃性变化，超前影响角变化与主关键层破断关系如图２所示。图２　超前影响角随关键层破断周期性变化示意图２２３　地表移动时间分析ＭＳ２３点为沉陷盆地最大下沉点，其移动过程如图３所示。１—下沉速度曲线；２—最大下沉点下沉曲线；３—工作面推进位置和ＭＳ２３点关系。图３　地表最大下沉点的下沉速度曲线及下沉曲线由图３可以看出，地表移动具有如下特征：１）在整个移动过程中，当地表移动波及到ＭＳ２３点时，下沉速度基本无缓冲迅速增大；当工作面推过ＭＳ２３点约９０ｍ时，下沉速度达到最大值，此后随着工作面推进ＭＳ２３点下沉速度迅速变小，直至最后移动停止。２）从ＭＳ２３点下沉速度曲线中求得最大下沉速度为５３１ｍｍ／ｄ；最大下沉速度滞后角约为８５°。结果表明，最大下沉速度、最大下沉速度滞后角偏大。分析主要原因为，薄基岩中的主关键层破断形成的砌体梁关键块在巨厚松