大采深非充分開采地表沉陷規律實測分析

賈新果

(1 煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院,北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室

(煤炭科學研究總院)，北京 100013)；3 北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013)

?

大采深非充分開采地表沉陷規律實測分析

賈新果1,2,3

(1 煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院,北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室

(煤炭科學研究總院)，北京 100013)；3 北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013)

[摘要]通過在平頂山礦區某礦建立地表移動觀測站，獲得了非充分開采條件下的地表移動實測數據，對該條件下的地表沉陷規律進行了分析,獲得了該條件下的地表移動角量參數和地表移動計算參數。研究結果表明：非充分開采條件下地表沉陷影響范圍和沉陷變形值均明顯減小，巖層移動各角量參數大于充分開采條件下的角量參數，地表沉陷變形趨于平緩。研究結果可用于指導非充分開采在類似地質采礦條件下的煤礦開采，為解放“三下”壓煤提供了依據。

[關鍵詞]非充分開采；地表沉陷；角量參數；地表移動計算參數

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.05.015

[引用格式]賈新果.大采深非充分開采地表沉陷規律實測分析[J].煤礦開采，2015，20(5)：53-56.

隨著采深增加，地表移動影響范圍增大，地表移動盆地變得平緩，各項變形值減小[1]。工作面尺寸的大小可影響地表移動盆地特征，一般用充分采動程度，即寬深比D/H0來表示。我國大量實測資料表明[2-7]：D/H0<1.2～1.4時，地表為非充分采動。現有觀測資料表明[8]，在厚松散層條件下，采用基巖厚度作為衡量采動程度的標準更符合實際。與充分開采相比，非充分開采地表移動和變形規律發生了很大變化[9-11]，采動程度(采動系數)對地表的下沉起關鍵控制作用。本文根據平頂山礦區某礦22071地表移動觀測站實測資料，分析了非充分開采地表沉陷特征。

1觀測站概況

1.1　工作面概況

平頂山礦區某礦22071工作面為該礦東翼采區己組煤的第一個綜采工作面。工作面走向長1760m，工作面斜長176m，煤層傾角21°，煤層傾向30°，煤厚7.4m，采高3.6m，采深717～780m。上覆巖層屬中硬巖層，其中松散層厚約35m，細中粒砂巖233.54m；其下為泥巖、砂質泥巖、細砂巖、煤層等巖層。直接頂為1.7m厚頁巖，基本頂為9.0m厚細砂巖。傾斜方向采動系數n1=0.20，為傾向非充分采動。

22071工作面位于二水平己二采區東翼，西起東翼軌道下山，東止于井田邊界保護煤柱線，南為已回采結束的采空區(1995—1996年炮采)，北為原生煤體。對應地表為農田，地勢北高南低。開采時間為2005年12月至2007年12月，推進速度約61m/月，走向長壁開采，全陷法管理頂板。

1.2　觀測站布置

該觀測站測線總長2205m，共布置控制點3個，工作測點73個(圖1)。沿工作面走向布置一條走向觀測線，測線長1470m，工作測點48個，測點間距30m；在工作面西側設半條(下山)傾斜觀測線，測線長735m，25個測點，測點間距30m。

圖1　22071觀測站布置

1.3　觀測站觀測

觀測時間為2005年11月至2008年8月，歷時34個月，共觀測了35次。觀測頻率視地表下沉速度大小而定。

在連測后、地表開始移動之前，獨立進行兩次全面觀測，兩次觀測間隔1d，取兩次測量數據均值作為各工作測點基準值。地表移動初始期為判定地表是否開始移動，在預計可能首先移動區域，選擇幾個工作測點，每隔10～20d進行1次水準測

量，發現測點有下沉趨勢時，說明地表已開始移動。該段觀測從2005年11月至2006年3月，共觀測了7次。在地表移動進入活躍期后，重復進行水準測量，觀測頻率為每隔30d觀測1次，該階段觀測從2006年3月至2008年1月，共觀測了23次。地表移動進入衰退期后，觀測頻率為每隔2～3個月觀測1次，該階段觀測從2008年1月至2008年8月，共觀測了3次。

首次與末次進行全面觀測，同時測量下沉及邊長，其余監測只進行水準測量。首末次全面觀測作業采用三等水準測量、日常觀測作業用四等水準測量，嚴格按三、四等水準測量規范進行作業。平面控制采用1954年北京坐標系，利用GPS進行聯測，聯測精度按《煤礦測量規程》中地面控制測量一級導線要求施測。觀測期間，測線上測點缺失比較嚴重，走向觀測線缺失22個測點，傾向觀測線缺失6個測點，但觀測數據能基本反映出22071工作面地表沉陷狀況。表1為觀測線上地表最大移動與變形值，圖2、圖3分別為傾向觀測線和走向觀測線的部分實測下沉曲線。

表1　觀測線上地表最大移動與變形值

圖2　傾向觀測線部分實測下沉曲線

圖3　走向觀測線部分實測下沉曲線

2觀測成果分析

在進行觀測成果分析前，對野外觀測成果再次檢查，剔除個別觀測誤差大的或觀測錯誤的數據。根據每次觀測成果計算得到的地表移動和變形值，繪制出各種地表移動和變形曲線圖，求取地表沉陷角量參數，并進行地表移動計算實測參數求取，總結移動變形分布規律等。

2.1　角量參數

一般用邊界角、移動角、裂縫角等角量參數圈定移動盆地邊界，這些角量參數是在充分采動或接近充分采動的條件下求得的，它們反映了地下開采對地表移動的影響程度、大小、范圍。為便于與充分開采條件下的地表沉陷規律進行對比，求取22071觀測站角量參數時，仍參照了充分開采條件下角量參數的求取方法[12]。

根據實測下沉和水平移動數據及觀測站擬合結果求得的觀測站角量參數見表2。

由于22071工作面為非充分開采，地表移動變形實測值除傾向觀測線上的最大傾斜值超過了3mm/m外，水平變形值和曲率均較小，未達到臨界變形值，因此，只求取了下山移動角。上山邊界角采用傾向觀測線上山方向的擬合下沉值求取，走向邊界角采用走向觀測線上擬合的下沉值求取。同時表2還列出了平頂山礦區地表移動實測角量參數。通過對比可以發現，充分開采條件下，下山邊界角48°，上山邊界角60°，走向邊界角54°，下山移動角56°。處于傾向非充分開采條件下的22071觀測站巖層移動各實測角量參數大于充分開采條件下的角量參數值10°左右。

表2　平頂山礦區[12]與22071觀測站巖層移動角量參數對比

注：*為根據擬合數據求取；α為煤層傾角。

結果表明，非充分開采條件下地表沉陷影響范圍明顯減小；地表危險移動范圍也顯著縮小，地表沉陷變形則趨于平緩。非充分開采條件下的地表沉陷變形特征對地表建構筑物的保護是十分有利的。

2.2　地表移動計算參數

地表移動計算參數主要有下沉系數q、水平移動系數b、開采影響傳播角θ、主要影響角正切tanβ和拐點偏移距S(S左，S右，S上，S下)等。

根據觀測站測得的水平移動值和下沉值，采用基于最大-最小蟻群算法的概率積分法計算模型，對傾向觀測線和走向觀測線數據分別進行了求參(該求參方法已另文討論，可參考文獻[13]，在此不再贅述)，結果見表3，表3中的采動系數 n1=K1·D1/H，其中D1為工作面沿傾向實際長度；H為基巖平均厚度；中硬巖層時，取K1=0.8。擬合結果見圖4和圖5。傾向觀測線擬合中誤差M=51mm，相對中誤差(相對于實測最大下沉值)為6.1%；走向觀測線擬合中誤差M=23mm，相對中誤差(相對于實測最大下沉值)為5.3%。

在充分開采條件下，平頂山礦區下沉系數q=0.80～0.91，水平移動系數b=0.28～0.36，主要影響角正切tanβ=1.50～1.71，拐點偏移距S大多為負值，偏向煤柱一側。傾向非充分開采條件下，22071觀測站實測地表移動計算參數如下：下沉系數q=0.57，水平移動系數b=0.26，主要影響角正切tanβ下山=2.11，tanβ走向=1.63，拐點偏移距S=-23.0～7.0。非充分開采條件下，下沉系數僅為充分開采條件下的65%左右，水平移動系數b減小了0.07；在非充分開采方向上主要影響角正切值增大約0.6，拐點偏移距S則無顯著變化，地表沉陷移動變形趨于平緩。

表3　平頂山礦區部分觀測站[12]與22071觀測站地表移動計算參數對比

圖4　傾向觀測線下沉擬合曲線

圖5　走向觀測線下沉擬合曲線

非充分開采條件下的地表移動角量參數和計算參數較充分采動情況下有很大不同。究其原因，主要是由于非充分開采時，其上覆巖層破壞具有懸臂梁、垮落拱等特征，覆巖移動和變形破壞以巖梁彎曲和煤柱壓縮為主，具有整體壓縮、均勻移動和變形的特點。地表移動盆地中的地表傾斜值、曲率值和水平變形值相對變小，地表移動盆地上下沉10mm的點(即最外邊界點)和危險移動邊界的臨界變形值如傾斜3mm/m，曲率0.2×10-3/m和水平變形2mm/m的點(即危險移動邊界點)相對內移。因此，用這些特征點求取的邊界角和移動角等角值參數增大，求取的地表移動計算參數亦相應增大或減小。這對建構筑物的保護是十分有利的，在利用非充分開采地表移動規律時，必須充分利用該特點。

22071工作面南側存在1995—1996年間回采結束的采空區，該采空區距22071工作面回采已過去了10a的時間，采空區圍巖內原始應力平衡狀態經受了平衡→破壞→重新分布→新平衡的過程，地表已處于沉陷穩定階段；22071觀測站初期觀測數據也說明了這一點。但隨著22071工作面的回采，采空區圍巖應力暫時形成的平衡狀態被重新打破，再一次經歷了平衡→破壞→重新分布→新平衡的過程，受采空區“活化”影響，傾向觀測線上山一側觀測到的下沉值明顯增大，擬合值與實測值相差了142mm，受采空區“活化”影響，引起的地表殘余沉陷變形量不容忽視。

3結論

(1)根據平頂山礦區某礦22071觀測站實測資料及其分析表明，非充分開采條件下地表沉陷影響范圍和地表危險移動范圍都顯著縮小。

(2)非充分開采時，地表移動變形值減小，移動角增大或者不存在；地表沉陷影響范圍減小。因此，在利用《規程》[12]推薦的邊界角和移動角進行非充分開采條件下的沉陷變形計算時，需增大邊界角和移動角值。

(3)利用《規程》[12]推薦的地表移動計算參數進行非充分開采地表沉陷計算時，需對下沉系數、水平變形系數和主要影響角正切加以修正，具體做法為：減小下沉系數和水平變形系數，增大主要影響角正切值。

[參考文獻]

[1]何國清，楊倫，凌賡娣.礦山開采沉陷學[M].徐州：中國礦業大學出版社，1991.

[2]李新穎.非充分采動采區地表移動的規律探索[J].煤炭技術，2007，26(11)：109-111.

[3]張連貴.兗州礦區非充分開采覆巖破壞機理與地表沉陷規律研究[D].徐州：中國礦業大學，2009.

[4]李文昌.梧桐莊礦村莊下深部壓煤開采技術研究[D].北京：中國礦業大學(北京)，2008.

[5]易四海，戴華陽，張連貴，等.非充分開采地表下沉率變化規律研究[A].第七屆全國礦山測量學術會議論文集[C].2007.

[6]張華興，郭棟，盧秀林，等.非充分采動地表移動規律[J].煤礦開采，2005，10(3)：58-59，71.

[7]易四海.非充分采動開采地表下沉率變化規律研究——以兗州礦區為例[D].北京：中國礦業大學(北京)，2006.

[8]殷作如，鄒友峰，鄧智毅，等.開灤礦區巖層與地表移動規律及參數[M].北京：科學出版社，2010.

[9]戴華陽，王金莊.非充分開采地表移動預計模型[J].煤炭學報，2003，28(6)：583-587.

[10]戴華陽，王世斌，易四海，等.深部隔離煤柱對巖層與地表移動的影響規律[J].巖石力學與工程學報，2005，24(16)：2929-2933.

[11]張俊英，黃樂亭.非充分開采組合巖梁柱沉陷理論[A].1999年全國礦山測量學術會議[C].1999.

[12]國家煤炭工業局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[M].北京：煤炭工業出版社，2000.

[13]賈新果.基于蟻群算法的開采沉陷計算參數反演[J].工礦自動化，2015(6)：10-13.

[責任編輯：施紅霞]

Observation and Analysis of Surface Subsidence Rule of Large-mining-depth Non-full Mining

JIA Xin-guo1,2,3

(1. Safety Branch，Coal Science & Technology Research Institute Co.，Ltd.,Beijing 100013，China； 2.State Key Laboratory of Coal Resource High-efficiency Mining & Clean Utilization，Beijing 100013，China; 3.Beijing Municipal Coalmine Safety Engineering Technology Research Center，Beijing 100013，China)

Abstract：By setting up surface movement observation station in a coalmine of Pingdingshan mining field，surface movement rule of non-full mining was analyzed. Surface movement angle parameters and calculation parameters were obtained. Results showed that surface subsidence influence range and deformation value reduced largely，angle parameters of strata movement was larger than those of full mining and surface subsidence and deformation tended to be gentle. The results could be used to instruct non-full mining under similar condition and provide reference for mining under buildings，railways and water-bodies.

Keywords：non-full mining；surface subsidence；angle parameters；surface movement calculation parameter

[作者簡介]賈新果(1980-)，男，河北邢臺人，碩士，從事開采沉陷損害與綜合防治技術研究工作。

[基金項目]國家自然科學基金青年科學基金項目(51404139)

[收稿日期]2015-03-06

[中圖分類號]TD325.2

[文獻標識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)05-0053-04