厚黃土下綜放高強度開采地表沉陷與覆巖破壞實測

朱 偉 滕永海 鄭志剛

(中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

厚黃土下綜放高強度開采地表沉陷與覆巖破壞實測

朱 偉 滕永海 鄭志剛

(中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

為研究厚黃土下厚煤層綜放開采地表沉陷和覆巖破壞規律，通過在工作面地表建立巖移觀測站和地面鉆孔水文勘探，進行了地表沉陷變形實測和覆巖破壞高度鉆探測定。總結研究地表巖移觀測站實測資料和覆巖破壞探測鉆孔水文觀測資料，得出厚黃土綜放高強度條件下地表沉陷劇烈，曲線較陡，在下沉盆地邊緣沉陷變形曲線收斂較慢，最大下沉速度偏大，采動影響范圍偏遠；覆巖破壞探測結果顯示綜放覆巖破壞異常發育，導水裂縫帶高度與綜放采厚近似成正比，裂高采厚比例系數平均為19.75。研究成果為黃土區綜放地表開采損害防治和水體下采煤及頂板水害防治提供技術支撐。

綜放開采 地表沉陷 覆巖破壞 防治

綜采放頂煤具有掘進率低，高產高效以及對地質采礦條件的高適應性等優勢，在厚煤層礦區得到了廣泛的應用，為煤礦企業創造了較好的經濟效益。厚煤層綜放一次采全高，推進速度快，開采強度大，造成的地表沉陷變形劇烈，特別在厚黃土層條件下表現出了較特殊的沉陷變形特征，對地表建構筑物采動損害防治提出了新的要求[1-4]。同時綜放開采覆巖移動破壞劇烈，導水裂縫帶發育異常充分，對厚煤層水體下綜放高效開采實施和頂板水害防治缺乏必要的資料支撐[5-8]。基于此，潞安集團王莊煤礦結合6206綜放工作面的開采，在地表建立了巖移觀測系統和覆巖破壞鉆探水文觀測系統，在實測資料分析研究的基礎上，得到了厚黃土條件下厚煤層高強度綜放地表沉陷特征和覆巖破壞規律，為礦井“三下”采煤提供了可靠的實測資料和基礎數據。

1 地質采礦條件及現場工作

1.1 工作面開采技術條件

王莊煤礦年產量約800萬t，煤系地層主要為石炭系上統太原組和二迭系下統山西組，開采煤層為二迭系下統山西組底部3#厚煤層。

6206工作面四周均未進行開采，工作面地表地勢較平坦。工作面呈刀把形，近走向布置，走向總長約1 780 m，傾向寬140 m(刀把面)和248 m(常規面)。開采期間工作面推進速度4～9 m/d，開采強度大。工作面煤層厚度約6 m，傾角2°，采深為300～310 m，上覆地層主要有各類砂巖、泥巖、砂質泥巖和第四系松散層組成，鉆探第四系黃土厚約130 m，占到地層比例40%～50%，為飽和硬塑的堅硬黏土。采煤方法為綜采放頂煤一次采全高，全部垮落法管理頂板，采放比約1∶1。

1.2 觀測系統及現場工作

根據6206工作面地表實際情況，地表巖移觀測系統布設了半條走向觀測線(C線)和2條傾向觀測線(A線和B線)。其中傾向觀測線A線布置工作測點39個，東部控制點3個；B線布置工作測點40個，東部控制點3個。走向觀測線C線布設工作測點44個，北部控制點3個。觀測線總長度為3 003 m。巖移觀測站共進行了11次全面觀測和24次日常水準觀測。為了觀測綜放工作面開采頂板覆巖破壞高度，采用地面鉆孔水文觀測方法，共布置施工了3個地面觀測鉆孔，在刀把區域靠近2巷各1個，工作面中間區域1個。地表巖移觀測線和覆巖破壞觀測鉆孔布置如圖1所示。

圖1 地表巖移及覆巖破壞觀測系統布設示意

2 綜放地表沉陷實測及規律

2.1 綜放地表沉陷變形實測值

根據實測資料，經過反演計算分析，得到地表最大移動和變形值如表1所示。

可以看出A線實測最大下沉值遠小于B線實測最大下沉值，這是由測線處工作面開采寬度決定的，B線處采寬約248 m，寬度方向上基本上達到充分采動程度，A線處采寬相對于埋深僅處于非充分采動狀態，抑制了地表最大下沉值。

表1 各測線實測地表最大移動變形值

2.2 地表移動角值

(1)巖移角。通過對觀測資料的綜合整理和分析，分別求出了上山、下山方向巖層移動的邊界角、移動角和裂縫角值，如表2所示。

表2 實測地表靜態移動角值

(2)動態巖移參數。經過計算分析，綜放工作面地表超前影響距為132.8 m，超前影響角值為68°，最大下沉速度滯后角約為80°，實測最大地表下沉速度達到144.3 mm/d。

(3)地表移動延續時間。地表移動延續時間統計如表3所示。

表3 實測地表移動延續時間

(4)地表裂縫。地表裂縫分為2種，一種是工作面正上方臨時裂縫，在工作面前方影響范圍內產生，實測資料顯示通常每隔6～10 m出現1條與回采線大致平行的弧狀裂縫，寬度20～40 mm，隨著工作面向前推進壓縮閉合，裂縫產生步距與工作面周期來壓步距基本一致。一種為存在于工作面開采范圍外側拉伸區域的永久性裂縫，圖2、圖3為6206工作面地表沉陷盆地與工作面外側永久裂縫，裂縫地表處最寬50～100 mm，現場勘查裂縫兩側基本不發育臺階。

2.3 地表移動預計參數

結合6206工作面的實際條件，用概率積分法求得預計時所需要的計算參數，如表4所示。

2.4 厚黃土下綜放地表沉陷規律

由于黃土層占據地層比重較大，相比基巖其自承載能力較差，沉陷在土層中傳播較快，反映到地表則表現地表沉陷變形發生時間快而集中，地表移動持續時間縮短，地表最大下沉速度大，在拐點內側下沉值較大，在拐點處變形發展較為迅速，曲線較陡，統計顯示活躍期約為4個月，占總移動時間的43.7%，期間內下沉量占總沉降量的98%左右。拐點以外區域沉陷變形曲線收斂慢，影響范圍向外擴展較遠，但沉陷變形絕對值非常小，地表采動損害影響較小。

圖2 刀把區地表沉陷盆地

圖3 永久裂縫

表4 擬合地表沉陷預計參數

3 綜放覆巖破壞實測

3.1 覆巖破壞實測

相比較物探等方法，地面鉆孔探測是一種比較可靠的確定覆巖采動后其導水裂縫帶發育高度的方法。通過鉆孔鉆進過程中，進行水文觀測，包括沖洗液消耗量、上下鉆水位、注水實驗資料，以及鉆取巖芯的完整及裂縫發育程度等綜合分析判斷導水裂縫帶頂界面位置。水文觀測曲線如圖4所示(僅以1#鉆孔為例)。

通過1號孔水文觀測曲線可以看出，孔深在180 m以上，沖洗液漏失量非常小，靜壓注水試驗注水量很小，說明本處地層較完整，原生裂隙較少。再往下鉆進1～2 m，沖洗液消耗量激增，注水量加大，但孔內還能測到水位(雖然降深大)，說明鉆探層位已經進入到覆巖破壞頂部微裂隙區，但尚未和井下開采空間導通，可以以此確定為本孔導水裂縫帶頂界面。繼續向下鉆進，通過所取巖芯可以發現，裂縫尺寸較大，多以高角度縱向裂縫為主，如圖5所示。2、3號孔水文觀測曲線(圖示從略)呈現出相似的物理量變化規律，但3號孔鉆進過程中沖洗液漏失量和注水量變化幅度較大，說明圍巖原生裂隙較發育，但不具有規律性。在確定最終的漏水層位和導水裂帶頂界面時，還應考慮地面下沉量的影響。覆巖破壞實測成果如表5所示。

圖4 鉆孔典型水文觀測曲線

3.2 綜放覆巖破壞特征

通過總結分析6206工作面覆巖破壞觀測成果，厚煤層綜放一次采全高高強度開采條件下覆巖破壞劇烈，在基巖柱厚度足夠的情況下，導水裂縫帶發育非常充分，但未達到基巖分界面，厚黃土層未對覆巖破壞產生抑制影響，導水裂縫帶高度與綜放采厚近似成正比例關系，裂高采厚比平均為19.75倍。覆巖破壞形態如圖6所示。

圖5 巖層中裂縫發育狀況

表5 綜放覆巖破壞實測成果

圖6 綜放開采覆巖破壞形態

可以看出，綜放開采后頂板覆巖破壞形態呈兩邊高中間低類似“馬鞍形”，靠近2巷處測孔觀測高度要高于工作面中間測孔，由于工作面開采邊界煤柱支撐作用，導致兩巷處覆巖裂縫不易壓實閉合，工作面中間部位由于地表沉陷發育充分，將基巖中的采動裂縫壓縮，靠近基巖上部呈現整體下沉，一定程度上抑制了導水裂縫帶高度向上擴展。

4 結 論

(1)通過建立地表移動觀測站，對厚黃土層下綜采放頂煤開采引起的地表移動特征進行了現場實測，分析研究了地表移動特征。研究表明：黃土區綜放開采地表移動劇烈、沉陷變形集中、地表最大下沉速度大、地表移動持續時間縮短、地表采動影響范圍向外擴展較遠等特點，并反演出了地表沉陷預計參數。

(2)覆巖探測成果揭示，厚煤層綜放高強度開采條件下覆巖破壞相對劇烈，導水裂縫帶高度發育充分，裂高與采厚基本成正比例關系，覆巖破壞形態類似馬鞍形，裂縫區內巖層裂縫多以高角度裂縫為主。

(3)本研究成果對于類似條件工作面開采建構筑物沉陷變形預計和損害防治，以及水體下采煤和頂板水害防治具有指導意義。

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(責任編輯 徐志宏)

Field Measurement on Ground Subsidence and Overburden Failure by High Intensity Fully Mechanized Top-coal Caving Under Thick Loess

Zhu Wei Teng Yonghai Zheng Zhigang

(1.TangshanResearchInstitute，ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroup，Tangshan063012，China)

In order to study the law of ground subsidence and overburden failure induced by fully mechanized top coal caving under thick loess，the measurement of surface subsidence and deformation and the height of overburden failure are detected through the establishment of ground observation stations and hydro-geological drilling exploration in surface.A great number of field data from ground observation stations and hydro-geological drilling exploration are collected.It is shown that ground subsidence under fully-mechanized caving of thick loess moved intensively with steep subsidence curve.The converge of subsidence and deformation curve at the edge of basis grows slowly.Maximum subsidence velocity is higher，and mining influence scope is much too far away.The detection of overlying rocks damage indicates that the overburden failure is developed abnormally in mining with fully-mechanized top-coal caving system，and the height of the water conducted zone is directly proportional to the total mining thickness.The ratio of the fracture height and the mining thickness is obtained to be 19.75 at average.The research can provide technical support for controlling surface mining damage and roof water inrush in coal mining under water in loess region.

Fully mechanized top-coal caving，Ground subsidence，Overburden failure，Prevention and treatment

2015-02-06

國家自然科學基金項目(編號：51074089，51474129)。

朱 偉(1984—)，男，助理研究員，碩士研究生。

TD325

A

1001-1250(2015)-04-123-04