薄基巖淺埋深礦區地表開采沉降預測及影響因素分析

郭啟琛 李文平 王啟慶 楊東東

(中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州221000)

我國西部地區煤炭資源豐富，煤層埋深普遍較淺，頂板基巖較薄，松散層厚度大［1-2］，對于該類礦區已有大量關于保水采煤、覆巖破壞等方面的研究成果問世［3-6］。由煤層開采引起的覆巖破壞并移動傳播至地表產生的沉降現象，在薄基巖淺埋深礦區日益嚴重［7-8］，大量學者分別從數據監測、采煤方法、開采充分性等方面對地表采動裂縫的深度、寬度及影響范圍，地表沉降規律以及地表開采沉降的機理、規律進行了深入研究［10-13］，但對于薄基巖淺埋深礦區地表開采沉降直接影響因素的判斷，未直接突出地質條件變化的影響。鄂爾多斯某礦區煤層埋深淺(多在200 m 以內)，基巖厚度不大(最薄處不足50 m)，區內構造簡單，松散層厚度變化較大。本研究以鄂爾多斯某煤礦23103 首采工作面為例，對地表開采沉降及主要影響因素進行分析。

1 研究區概況

鄂爾多斯某煤礦區地形總體西高東低、北高南低，標高1 183 ～1 405 m，地表主要為風積砂、沙漠地貌，地形可分為堆積地形和侵蝕剝蝕地形兩大類。目前礦區主采Ⅱ－3#煤層，埋深約150 m，厚0.80 ～5.96 m，平均厚4.27 m。23103 綜采工作面為該礦的首采工作面，該工作面從2014 年9 月2 日開始回采，設計走向長2 163 m，東西寬約260 m(受DF#4斷層影響，工作面里段(0 ～228 m 段)寬度縮至160 m)，開采面積約0.53 km2，設計采高4.5 m，煤層傾角0° ～3°，可認為近似水平，煤層頂板埋深約150 m。采用長壁后退式采煤方法進行開采，裝備一套綜合機械化一次采全高采煤工作面，全部冒落法管理頂板。頂板探查發現:煤層上覆基巖厚度較小，最薄處僅53.92 m，且結構復雜，上部為強風化殼，受構造破壞，巖體完整性差且含水;基巖上覆松散砂層厚度較大，最厚處可達100 m，因此該采區整體具有薄基巖淺埋深特征。

2 地表移動變形監測

分別沿工作面走向、傾向布置了2 條觀測線，共154 個觀測點，其中走向線布置97 個點，傾向線布置2條，分別有28 個和29 個觀測點，測點間距25 m。觀測站于2014 年10 月5 日完成首次觀測記錄，但由于工程進度等問題，觀測站布測時工作面已經開始開采，因此B#97～B#71點的原始高程數據是根據1∶ 10 000地形圖采用等高線內插法求出的。在B#80點處，即工作面推進228 m 處第二切眼開始，為保障開采安全，工作面暫停開采，2014 年12 月13 日工作面恢復開采，2015年7 月1 日完成最后一次監測，共監測16 次。

3 地表移動變形規律及預測

由于采空區上覆巖層基巖頂部有風化現象，因此砂巖等巖體的力學參數以實測為準，根據采空區上覆地層鉆孔資料、巖石力學參數計算的覆巖綜合評價系數為0.793，采空區走向長度與采深比(L0/H0)≥0.8，屬充分采動。運用概率積分法［14］對礦區地表移動變形的相關參數進行了預測，結果見表1。部分實測數據見圖1、圖2。

表1 礦區地表移動變形參數預測值Table 1 Surface movement parameters and its prediction values of mining area

圖1 23103 工作面走向線動態下沉曲線Fig.1 Dynamic subsidence curve of the strike line of 23103 working face

圖2 23103 工作面走向線動態水平移動曲線Fig.2 Dynamic horizontal movement curve of the strike line of 23103 working face

由圖1、圖2 可知:①隨著工作面的逐漸推進，地表下沉逐漸增大，從2014 年12 月13 日第二切眼開始恢復開采后，整體地表觀測點隨著開采經歷一個由開始移動到劇烈移動最后到停止移動的全過程，地表沉降穩定后最終走向方向為半無限開采，傾向方向為下沉盆地，且均達到充分采動。②走向地表沉降量與水平移動量整體動態變化較大，主要由開采速度、上覆巖層性質差異導致，傾向方向地表起伏變化不大，走向方向整體呈北高南低的趨勢，累計沉降量未見明顯隨地表起伏變化而變化。實測地表最大沉降量為3.544 m(點)，最大水平移動量為1.816 m(點)，由于地表采動移動規律與采深、采厚、上覆巖性、工作面尺寸等因素有關，盡管預測值與實測值存在一定的誤差，但預測值仍具有一定的精度。

4 礦區地表開采沉降影響因素

由于地下礦產資源的開采使其上方覆蓋的巖層失去支撐，平衡條件被破壞，導致巖層產生移動、變形、破壞、塌落。采區上覆巖層的沉降及由此引起的地表移動是一個復雜的過程，受采礦方法、頂板控制、礦體厚度、傾角、開采強度、巖石物理力學性質、地質構造、巖石風化程度等因素的制約［15］。在23103 首采面開采過程中，其頂板巖性變化和開采速度變化較明顯，而采礦方法、煤厚、煤層傾角等參數無較大變化，因此該采區的開采地表沉降主要受頂板巖性變化和開采強度(工作面推進速度)的影響。

4.1 松散層厚度及基巖厚度

本研究選取工作面推進至360 ～1 798 m 的區域進行分析，該區域內開采速度較均衡。統計區內鉆孔數據，運用ArcGIS 軟件繪制出Ⅱ－3#煤層頂板松散層厚度、基巖厚度在工作面內的分布情況見圖3。由圖3 可知:在工作面360 ～1 798 m 區域內，基巖厚度與松散層厚度呈完全相反的分布形態，在工作面南部，推進至360 m 處，基巖最薄僅達77 m，而松散層厚度最大可達70 m，沿工作面推進方向向北，基巖逐漸變厚而松散層厚度則越來越薄，在工作面內基巖北部厚度可達110 m 以上，松散層最薄約20 m。

運用ArcGIS 軟件對高程插值得出的23103 工作面內走向觀測點處的基巖厚度曲線和松散層厚度曲線，并將其與工作面走向累計下沉曲線進行對比，結果見圖4。由圖4 可知:工作面推進至約360 m 處，基巖厚度最小，松散層厚度最大，而對應距離內的地表累計沉降量也最大，達到4.408 m;在約530 m 處，基巖突然變厚，松散層突然劇烈減薄，對應的地表沉降量也驟然減小至3.5 m，之后工作面推進地段基巖逐漸變厚，松散層逐漸變薄但趨勢較緩，地表沉降變化雖不明顯，但亦同樣有減小的趨勢，說明該礦區地表沉降受基巖厚度、松散層厚度的影響較明顯。

圖3 23103 工作面煤層頂板基巖、松散層厚度分布Fig.3 Thickness distribution of bedrock and loose layer above 23103 working face coal seam

圖4 基巖厚度、松散層厚度和走向累計沉降量曲線Fig.4 Thickness of bedrock and loose layer and total subsidence curve of the strike line

礦區地表沉降與松散層基巖層厚度比值(HS/HJ)的關系如圖5 所示。由圖5 可知:當HS/HJ≥0.4時，隨著HS/HJ值降低，地表沉降相應減小;當HS/HJ＜0.4 時，隨著HS/HJ值變化趨于穩定，地表沉降變化幅度也逐漸減小。因此，在松散層厚度與基巖厚度比值較大的區域應注意煤層開采引起的地表沉降問題。

圖5 走向累計沉降量與HS/HJ 的關系Fig.5 Relationship between total subsidence of the strike line and HS/HJ

4.2 開采強度(工作面推進速度)

在開采過程中，工作面頂板支護強度、面積等因素變化較小，因而影響地表沉降的主要因素為開采強度(工作面推進速度)。通過整理開采資料及對應地段的地表觀測數據，統計得出工作面推進速度以及隨著工作面開采地表動態沉降的最大值。為突出工作面推進速度對地表沉降的影響，選取工作面推進速度變化較明顯的320 ～1 798 m 地段進行統計，工作面隨著開采強度(工作面推進速度)的增加至平穩，地表最大沉降值也逐漸變大至平穩，在1 592 m 地段由于部分工程因素，開采速度變緩，地表沉降也隨之變小，可見該礦區地表沉降受開采強度(工作面推進速度)的影響較明顯，為防止地表沉降過大，應嚴格控制開采強度(工作面推進速度)。

5 結 論

(1)盡管采用概率積分法預測的鄂爾多斯某礦區充分采動的地表沉降值與實測值存在一定的誤差，但仍具有一定的可靠性。

(2)礦區地質構造穩定，地表沉降受松散層厚度、基巖厚度以及開采強度(工作面推進速度)的影響較明顯，相對而言，開采強度(工作面推進速度)對地表沉降的影響最為顯著。

(3)在礦區HS/HJ值較大的地段開采時，為防止地表沉降過大，可適當降低開采強度(工作面推進速度)以保護礦區地表安全。

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