淺埋高強度開采地表破壞特征：以神東礦區為例

郭俊廷，李全生,2

(1.煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京 102209；2.神華集團有限責任公司科技發展部，北京 100011)

采用現場實測與理論分析的方法對神東礦區地表非連續變形及地表移動持續時間進行了研究。闡釋了高強度開采的內涵，并提出以地表最大下沉速度、采動損害程度及工作面來壓強度作為判斷指標。總結了神東礦區基巖全厚切落式和基巖部分破壞式2種巖層移動類型。分析總結了神東礦區地表移動以伴隨非連續變形為主要特征的高強度開采規律：地表最大下沉速度達700 mm/d，非連續變形以裂縫與臺階為主；采動裂縫以裂縫帶形式發育，主裂縫間距與工作面周期來壓步距基本一致，最前裂縫帶內主裂縫滯后角約79.8°，地表最寬裂縫滯后角58.2°；裂縫發育條數及寬度與表土性質密切相關，風積沙區裂縫寬度一般小于30 mm，黏性表土區一般大于50 mm，裂縫寬深近似線性相關。本文可為類似開采條件下采動損害控制、地表環境治理、開采設計提供參考。

高強度開采；深厚比；采動裂縫；最大下沉速度；地表移動持續時間

以高強度和淺埋煤層開采為主題，在CNKI數據庫中可檢索到3 000余條文獻，近10多年研究和關注度近似線性增加，每年增加的文獻達數百條之多，目前這兩個名詞尚無確切的定義和分類標準[1]。高強度開采一般是從工作面開采的角度進行闡釋，如譚志祥等[2]把較大的推進速度、寬深比、回采率定義為高強度開采；繆協興將高強度開采的主要特征表述為大采高、尺寸較大和快速推進的工作面；范立民[1]則將高強度開采表述為開采面積大、開采空間尺寸大和工作面開采速度快為主要特征。影響地表移動劇烈程度的因素有覆巖性質和結構、開采深厚比、開采尺寸(寬深比)、工作面推進速度等。采深及上覆巖性差異較大時，同樣開采尺寸和推進速度對地表下沉、變形速率的影響會有很大差別，而深部開采時，即便開采速度和開采尺寸較大，地表也未必表現為嚴重破壞和較大的下沉速度。總體而言，目前對高強度開采的認識著眼于開采特征，如開采空間的長寬高、采面推進的快慢。但高強度開采的實質要反映開采造成覆巖及地表的劇烈影響。為了直觀表達高強度開采的特性，本文認為高強度開采應從地表和覆巖移動顯現的直觀特征進行界定。在地表移動方面，應從地表下沉速度和地表變形量對土地及地表附屬物的損害程度進行區別；在覆巖移動方面應結合周期來壓動載沖擊現象及特征進行界定。高強度開采的直觀特性為地表下沉速度大、非連續變形發育或尺寸規模大(表土沙層時除外)、工作面動載系數大或來壓強烈等。

在淺埋煤層開采方面，以采深小于150 m、基載比小于1、頂板單一主關鍵層結構特征和來壓有明顯動載現象作為淺埋煤層的判斷指標，并指出淺埋工作面具有頂板全厚切落，并波及地表的特征[3-6]。同時還指出工作面覆巖僅有垮落帶和裂縫帶“兩帶”。而在開采沉陷學中，“兩帶”高度是指水體下開采時對生產具有影響的破壞性影響區，而裂縫帶的主要特征具有較大的變形和破壞，不但具有垂直于巖層層面的裂縫，還具有順層理面的離層裂縫，對于全厚切落式的覆巖運動特征，顯然不再符合傳統意義上裂縫帶的特征，可看作是規則垮落帶。文獻[7]給出深厚比小于30時，地表產生非連續變形。而現場實踐中，即便深厚比達到60，地表仍有裂縫發育[8]，嚴格來講，地表產生非連續變形的深厚比小于30的判斷指標，是指松散層較薄的開采條件下，垮落帶或裂隙帶發育至地表的情形。文獻[9]給出深厚比小于20時地表產生非連續變形，是指基巖厚度與采厚之比。淺埋煤層開采地表移動具有下沉速度大、地表裂縫及臺階發育、地表移動變形量大的特性[10-13]；而覆巖移動具有基巖全厚切落、頂板臺階下沉、工作面支架動載大、無離層裂縫、易突水潰沙和冒頂、片幫及壓架[5-6,14-18]。因此，除采用特殊開采方式，綜合機械化垮落法開采的淺埋煤層均屬于高強度開采的范疇。

根據對神東礦區高強度開采相關資料的分析，本文認為高強度開采是指引起覆巖或地表劇烈移動的開采方式，其判斷指標可以采用地表最大下沉速度(vmax)、開采深厚比(H/M)、地表裂縫寬度(D)及條數(n)、支架動載及壓力顯現特征以及急傾斜淺部開采等，上述任一指標顯現出較大的開采擾動或損害現象即為高強度開采。根據經驗及相關行業規范可采用以下特征或數值進行判斷：Vmax>200 mm/d，H/M<30，裂縫帶nD>300 mm或D>100 mm且主裂縫間距小于30 m，液壓支架工作面阻力大于等于11 000 kN,且動載系數大于1.5或出現壓架、頂板臺階下沉大于30 cm等。

1　神東礦區概況

神東礦區是我國具有國際先進水平的西部現代化能源基地，位于鄂爾多斯高原東南部、毛烏素沙漠東南緣與陜北黃土高原北側接壤地帶，包括大柳塔煤礦、補連塔煤礦、榆家梁煤礦等。該區屬于侏羅紀陸相地層沉積為主的含煤地層，探明儲量2 300億t，面積12 860 km2。主要地貌單元有沙丘、沙地和風沙河谷。區內大部分屬于風沙堆積地貌，植被稀少，沖溝發育，水土流失嚴重，局部基巖裸露，是典型的丘陵溝壑區。區內有10個可采煤層，厚度2～7 m，傾角1～8°，礦區內煤層普遍埋藏淺，1-2煤層與5-2煤層間距大致為170 m，地表以下平均70 m左右即可見到煤層，在礦區西部邊界埋藏深處，1-2煤層距地表也僅 150 m 左右。神東礦區煤層采深一般均小于300 m，平均采深150 m左右，平均采厚4～6 m，工作面長300 m左右，推進速度一般大于10 m/d，上覆巖層受開采擾動大，覆巖破壞高度比相關規程經驗公式計算值大[19-20]。工作面液壓支架壓力較大，周期來壓明顯，部分工作面存在壓架、突水或潰沙事故。屬于典型的淺埋深、大采厚、近水平開采條件。

神東煤田地層由老至新為：三疊系延長組(T3y)，中下侏羅統延安組(J1-2y)，中侏羅統直羅組(J2z)、安定組(J2a)，上侏羅統-下白堊統志丹群(J3-K1zh)，新近系上新統紅土層(N2)，第四系上更新統馬蘭組(Q3m)黃土層，第四系全新統(Q4)沖洪積、風積、殘坡積物。該區地質構造為總體走向NW330°～SE150°，傾向SW240°的單斜構造，巖層傾角一般3°左右，地層連續，褶皺與斷層不發育，屬構造簡單型區域。區內中下侏羅統延安組為主要含煤地層，巖性多為細砂巖、粉砂巖、砂質泥巖，少量有泥巖及中粗粒砂巖。巖層裂隙不發育，絕大多數巖石屬于半堅硬巖石類型。煤層大部分屬單一結構，偶爾含一層至數層夾矸，厚 0.05～0.62 m，巖性為泥炭及砂質泥巖。煤層多屬中厚及厚煤層。主要可采煤層包括1-2、2-2、3-1、4-2和5-2煤層。礦區內風積沙、亞沙土、亞黏土及黏土均有分布。

2　礦區地表移動調查及實測規律

2.1　神東礦區地表移動實測規律及特征

覆巖移動特征決定了覆巖破壞程度和地表采動損害程度，覆巖性質和結構、煤層賦存條件、工作面開采尺寸以及工藝是影響覆巖移動特征的主要因素。許家林等將神東礦區覆巖關鍵層劃分為單一關鍵層和多層關鍵層，并認為單一關鍵層結構的滑落失穩是導致淺埋煤層采動損害、頂板臺階下沉和壓架的根源[21]。本文根據神東礦區巖層移動及破壞特征將其歸納為基巖全厚切落和基巖部分破壞的移動形式。基巖全厚切落式的主要特征是覆巖,只有垮落帶，不存在裂隙帶和彎曲帶，由頂板直接垮至地表，這也是工作面發生突水、潰沙與地表漏風的主要原因[4,22]；基巖部分破壞的移動形式，以覆巖移動存在“三帶”為主要特征。

地表移動觀測是掌握地表移動規律的重要手段。根據搜集的相關資料，神東礦區1993～2013年均有地表移動觀測站的設置，共建立地表移動觀測站20余個。表1列出了部分觀測站工作面的基本信息。由表1可知，開采煤層均為近水平，最大采深327 m，最小采深50 m，基巖最大厚度294 m，最小厚度20.5 m，地表下沉速度一般都大于100 mm/d，工作面推進速度一般為8～9 m/d，最大20 m/d，大柳煤塔20604工作面最大開采速度約為30 m/d[23]，屬于典型的淺埋深高強度開采煤層。現場調查和地表移動觀測結果見圖1～4。

表1　神東礦區部分地表移動觀測站基本信息(部分礦井)

注：工作面均為綜合機械化垮落法開采，煤層傾角0～5°。

圖1　大柳塔煤礦52304工作面地表走向下沉曲線

圖2　補連塔煤礦12406工作面地表走向下沉曲線

圖3　補連塔煤礦12406工作面開采邊界地表裂縫(資料來源：文獻[24])

圖4　活雞兔煤礦21306工作面壓架后塌陷情況(資料來源：文獻[25])

現場調查和地表移動觀測結果表明，神東礦區地表移動及采動損害特征主要表現為以下幾方面。

1) 地表移動劇烈，下沉速度大，下沉量大；地表最大下沉速度一般為300～500 mm/d， 最大下沉速度達到700 mm/d，地表下沉系數一般為0.5～0.7，重復采動條件下一般大于0.7[12]，地表最大下沉一般在3 m左右，見表1。

2) 采動裂縫及臺階發育，裂縫產生周期性明顯，主裂縫間距與工作面周期來壓步距相當。采動裂縫或臺階隨處可見，部分開采條件伴隨塌陷坑、臺階地塹，主裂縫及臺階間距一般10～15 m，根據統計，神東礦區工作面周期來壓步距為8～25 m，一般為12 m左右。

3) 非連續變形未改變地表下沉曲線形態特征，對下沉影響小。部分采面地表非連續變形與井下溝通，開采影響大。部分淺埋煤層開采直接垮落至地表，地表裂縫位置有漏風現象[26]。

4) 地表移動持續時間短，移動延續時間一般為1.0H0(H0為平均采深，m)左右，見表1，小于文獻[27]中經驗數據2.5H0。

5) 地表移動觀測周期對地表最大下沉速度的準確獲取影響大。由圖5可知，地表下沉速度隨觀測間隔時間的增加逐漸減小，間隔1 d與間隔15 d最大下沉速度差值為440-139=301 mm/d，差值約占間隔一天最大值的68%。表1中地表最大下沉速度因受觀測間隔時間影響，所列數值并非地表真實最大下沉速度。

圖5　補連塔礦31401工作面地表監測點S3不同監測時間間隔下沉速度曲線

2.2　地表非連續變形發育及分布特征

地表非連續變形是神東礦區開采過程中伴隨的主要特征，其形式主要有采動裂縫、臺階裂縫、塌陷坑及塌陷地塹(圖3和圖4)。對于非連續變形，我國學者已進行了一些調查與研究[2,12-13,28-30]。由神東礦區有關地表非連續變形的調查、監測及分析資料可知[28,31]，地表裂縫產生位置及寬度變化規律如下所述。

1) 非連續變形產生具有一定條件。深厚比大于30時，一般不產生較大的臺階裂縫，以采動裂縫發育為主。

2) 地表采動裂縫特性與產生位置密切相關。工作面上方以平行于開切眼的裂縫帶形式向前發展，裂縫發育經歷“產生→擴展→減小或閉合”的過程；開切眼處裂縫寬度一般較大，以臺階形式顯現，基巖厚度較小且覆巖控制層載荷較大時，可能形成塌陷坑[28,31]；運輸和回風巷附近地表以臺階裂縫顯現為主，隨工作面推進向前延展；開采邊界位置非連續變形一般只經歷“產生→擴展→穩定”的發展過程。

3) 工作面推進方向上，裂縫帶隨采面推進周期性產生。最前裂縫帶內主裂縫平均滯后角79.8°，地表最寬裂縫滯后角約58.2°，相關資料見文獻[12]和文獻[28]；基巖切落破壞條件下，主裂縫一般位于工作面正上方地表附近，近似垂直傳播。

4) 采動裂縫以裂縫帶的形式發育。在主要裂縫兩側伴隨尺寸相對較小的裂縫，最前裂縫產生位置與覆巖破壞特征關系密切，基巖全厚切落時，裂縫產生位置位于工作面前后5 m左右；基巖部分破壞時，超前工作面產生，超前距離約為采深的0.05倍，見圖6。

圖6　最前裂縫與工作面相對位置關系

5) 表土性質對非連續發育特征影響顯著。黏聚力較小的沙土裂縫條數較多，寬度及間距一般較小，黏性表土層條件下，裂縫條數較少，寬度及間距相對較大，相關資料見文獻[28]和文獻[32]；風積沙開采區裂縫發育寬度一般小于30 mm，亞黏土或黏土區域，裂縫發育寬度一般大于50 mm(圖7和圖8)，且臺階裂縫落差較大。風積沙地區裂縫寬深比無明顯相關性；黏性表土區域裂縫寬度與深度近似為線性關系，見圖9。

圖7　補連塔煤礦12406工作面不同位置點下沉速度曲線

圖8　大柳塔煤礦22201工作面地表裂縫寬度變化曲線

圖9　地表采動裂縫寬度與深度關系曲線

圖10　補連塔煤礦12406工作面地表裂縫寬度變化曲線

6) 裂縫發育變化特征與地表下沉速度相似，裂縫的產生受地表變形速度的影響。如圖7和圖10所示，12406工作面地表點下沉速度兩峰值出現的間隔時間內工作面推進約140 m，下沉速度的整個變化周期內，工作面推進距離分別為259 m(B36)和345 m(B37)；裂縫的峰值間隔與整個發育期工作面分別推進120 m、230 m。此外，地表移動達到一定數值時裂縫才產生，這也是地表下沉速度過程大于裂縫發育周期的原因所在。因本文未搜集到補連塔煤礦12406工作面覆巖各巖層的具體厚度與力學性質相關資料，無法判斷是否因覆巖中存在2個控制層導致的地表下沉速度、發育的裂縫具有2個峰值。此外，筆者在補連塔煤礦12407工作面地表裂縫調查時發現，裂縫在雨后會再次顯現，可能因承受變形能力小、無聚集性的表層風沙掩埋及地表監測點隨風積沙受采動過程的“拉伸→壓縮→拉伸”影響所致。

3　結　論

1) 高強度開采應以開采對覆巖及地表影響的劇烈程度作為判斷標準，并以地表移動劇烈程度、損害等級及工作面來壓特征為判斷指標，對高強度開采進行界定。

2) 覆巖移動以基巖全部切落式的垮落破壞和基巖部分破壞為移動特征。切落式破壞覆巖僅存在垮落帶，不存在裂隙帶和彎曲帶，地表損害嚴重，基巖部分破壞以覆巖存在“三帶”為主要特征，地表損害程度相對較小。切落式破壞地表裂縫多位于工作面附近，一般不超前產生，基巖部分破壞時地表裂縫超前工作面一定距離產生。

3) 分析總結了神東礦區高強度開采的主要特征。地表移動劇烈，地表最大下沉速度達700 mm/d，地表非連續變形發育，損害嚴重；采動裂縫發育特征與表土性質密切相關，黏性較小的沙質土，地表采動裂縫尺寸較小，寬度小于30 mm，裂縫條數多，間距小；黏性表土層區，采動裂縫尺寸相對較大，間距大，發育條數相對較少；主裂縫間距與工作面周期來壓步距相當；地表最大下沉速度的獲取受觀測間隔時間影響大，不合理時間間隔會造成對地表移動劇烈程度的錯誤判斷。

[1]范立民.榆神府區煤炭開采強度與地質災害研究[J].中國煤炭,2014(5):52-55.

[2]譚志祥,王宗勝,李運江,等.高強度綜放開采地表沉陷規律實測研究[J].采礦與安全工程學報,2008,25(1):59-62.

[3]黃慶享.淺埋煤層的礦壓特征與淺埋煤層定義[J].巖石力學與工程學報,2002,21(8):1174-1177.

[4]張杰,侯忠杰.淺埋煤層開采中的潰沙災害研究[J].湖南科技大學學報:自然科學版,2005,20(3):15-18.

[5]張聚國,栗獻中.昌漢溝煤礦淺埋深煤層開采地表移動變形規律研究[J].煤炭工程,2010(11):74-76.

[6]石平五,侯忠杰.神府淺埋煤層頂板破斷運動規律[J].西安礦業學院學報,1996(3):7-9.

[7]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.

[8]趙兵朝,同超,王文彬,等.黃土溝壑區煤層開采損害特征研究[J].礦業安全與環保,2015,42(5):108-111.

[9]劉寶琛,廖國華.煤礦地表移動的基本規律[M].北京:中國工業出版社,1965.

[10]王軍,趙歡歡,劉晶歌.薄基巖淺埋煤層工作面地表動態移動規律研究[J].礦業安全與環保,2016(1):21-25.

[11]陳俊杰,南華,閆偉濤,等.淺埋深高強度開采地表動態移動變形特征[J].煤炭科學技術,2016,44(3):158-162.

[12]陳俊杰,朱劉娟,閆偉濤,等.高強度開采地表裂縫分布特征及形成機理分析[J].中國安全生產科學技術,2015(8):96-100.

[13]范立民,張曉團,向茂西,等.淺埋煤層高強度開采區地裂縫發育特征——以陜西榆神府礦區為例[J].煤炭學報,2015,40(6):1442-1447.

[14]黃慶享,錢鳴高,石平五.淺埋煤層采場老頂周期來壓的結構分析[J].煤炭學報,1999,24(6):581-585.

[15]柴敬,高登彥,王國旺,等.厚基巖淺埋大采高加長工作面礦壓規律研究[J].采礦與安全工程學報,2009,26(4):437-440.

[16]黃慶享,田小明,楊俊哲,等.淺埋煤層高產工作面礦壓分析[J].礦山壓力與頂板管理,1999(S1):53-56.

[17]范立民,馬雄德.淺埋煤層礦井突水潰沙災害研究進展[J].煤炭科學技術,2016,44(1):8-12.

[18]楊鵬.神東礦區綜采工作面礦壓顯現規律研究[J].陜西煤炭,2014,33(4):1-4.

[19]楊振,楊友偉,初艷鵬.淺埋煤層開采覆巖“三帶”分布規律研究[J].山西煤炭,2010,30(9):36-38.

[20]楊榮明,陳長華,宋佳林,等.神東礦區覆巖破壞類型的探測研究[J].煤礦安全,2013,44(1):25-27.

[21]許家林,朱衛兵,王曉振,等.淺埋煤層覆巖關鍵層結構分類[J].煤炭學報,2009,34(7):865-870.

[22]魏秉亮.神府礦區突水潰砂地質災害研究[J].中國煤田地質,1996(2):28-30.

[23]錢嗚高,石平五.礦山壓力及巖層控制[M].徐州:中國礦業大學出版社,2003.

[24]王業顯.大柳塔礦重復采動條件下地表沉陷規律研究[D].徐州:中國礦業大學,2014.

[25]鞠金峰.淺埋近距離煤層出煤柱開采壓架機理及防治研究[D].徐州:中國礦業大學,2013.

[26]杜善周.神東礦區大規模開采的地表移動及環境修復技術研究[D].北京:中國礦業大學(北京),2010.

[27]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.

[28]劉輝,何春桂,鄧喀中,等.開采引起地表塌陷型裂縫的形成機理分析[J].采礦與安全工程學報,2013,30(3):380-384.

[29]郭文兵,王金帥,李圣軍.淺埋厚煤層高強度開采地表移動規律實測研究[J].河南理工大學學報:自然科學版,2016,35(4):470-475.

[30]余學義,王鵬,李星亮.大采高淺埋煤層開采地表移動變形特征研究[J].煤炭工程,2012(7):61-63.

[31]魏秉亮,范立民,楊宏科.淺埋近水平煤層采動地面變形規律研究[J].中國煤田地質,1999(3):44-47.

[32]郭雨明.神東礦區煤炭開采地表裂縫發育規律研究[D].北京:中國礦業大學(北京),2013.