松散層淺埋煤層地表移動變形特征

賀國偉

摘要：以薛廟灘某工作面地表觀測站實測數(shù)據(jù)為例，分析了松散層淺埋煤層地表移動變形特征，結(jié)果表明：地表移動變形較為劇烈，下沉速度較大，最大值為241mm/d，最大水平變形值為38mm/m，最大傾斜值為76.5mm/m；影響范圍較大，邊界角為51°，移動角為77°，裂縫角為86°。

關(guān)鍵詞：松散層；淺埋煤層；移動變形

1.概述

松散層淺埋煤層地表移動變形特征較一般開采工作面更為復(fù)雜[1]，本文以薛廟灘某工作面地表觀測站實測數(shù)據(jù)為例，從下沉速度、水平變形和影響范圍分析了地表移動變形特征。該工作面地處毛烏素沙漠與陜北黃土高原接壤地帶，區(qū)域地表以沙漠灘地為主，地形較平緩；東部、南部以黃土梁峁為主，地形起伏變化較大。地勢總體東高西低，最高點在303盤區(qū)東南邊界附近的梁峁處為1290.3m，最低點在303盤區(qū)西北角為1174.9m，海拔標(biāo)高一般1190m～1210m。區(qū)內(nèi)無水系及地表水體。該工作面的開拓方式為長壁式全面垮落法管理頂板，開采后頂板一般都要發(fā)生垮落和開裂性破壞，并在巖層內(nèi)部形成“三帶”。煤層直接頂板多為粉砂巖、細砂巖，厚約10m～20m，基本頂為延安組第四段底砂巖（真武硐砂巖）細粒長石砂巖，厚度較大；底板巖性以粉砂巖為主，局地段為泥巖，厚約1.00m～2.00m，其下伏為厚層狀細粒長石砂巖，頂?shù)装宸€(wěn)固性較好。開采過程一般不產(chǎn)生底鼓現(xiàn)象。

長1078m，寬241m，在走向已達到超充分采動，傾向上未達到充分采動，煤層埋深為175m，煤層平均開采厚度為5.3m，松散層厚度為40m；沿工作面走向和傾向主斷面布設(shè)了兩條觀測線，控制點和監(jiān)測點共63個，累計觀測17次，擁有豐富的第一手資料。

2.地表移動變形

2.1下沉速度

下沉速度是反應(yīng)地表沉陷變形的一個重要指標(biāo)值，是指單位時間內(nèi)地表下沉量，即相鄰兩次的下沉量比其時間間隔[2]。根據(jù)走向主斷面和傾向主斷面的觀測數(shù)據(jù)所繪制的下沉速度曲線見圖2.1和圖2.2。

由圖2.1可知工作面推進到110m左右時，下沉速度為14.13mm/d，這時地表移動變形由啟動階段進入活躍階段，隨著工作面不斷推進，下沉速度逐漸增大，反映出地表沉陷變形也越來越劇烈；當(dāng)工作面推進到167m，地表下沉速度達到最大值，為241mm/d，地表沉陷變形活動最為劇烈；隨工作面繼續(xù)推進，下沉速度逐漸減小，由此可見241mm/d下沉速度是該工作面在此開采條件下的最大值，影響下沉速度的條件有工作面傾向和走向是否達到充分采動、開采速度、采高、采深和上覆巖層特性[3-4]。對某一個工作面確定開采后，這些條件也就確定了，因此最大下沉速度值也是確定的。他們之間在某種程度上存在一定的非線性關(guān)系，其中一些因素?zé)o法準(zhǔn)確量化，并且非線性關(guān)系非常復(fù)雜，很難構(gòu)建出一個精確的數(shù)學(xué)模型表達。圖2.2是傾向方向下沉速度變化情況，傾向觀測線只布設(shè)了一條，工作面推進速度較快，地下開采活動對其影響持續(xù)時間很短，地表活躍階段持續(xù)時間也較短，觀測頻率并未提高，導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)在一定程度上不能準(zhǔn)確反應(yīng)傾向主斷面的地表移動變形情況，只能研究其他反應(yīng)傾向沉陷變形的指標(biāo)值。

2.2水平移動變形

水平變形是指點間單位長度的變化，正值表示地面處于拉伸變形，負值表示地面處于壓縮變形[5]。根據(jù)走向和傾向觀測數(shù)據(jù)繪制了地表水平移動變形曲線，見圖2.3和2.4。

在開切眼處背向采空區(qū)一側(cè)的地表移動變形較大，且是正變形，即拉伸變形。在開切眼處偏向采空區(qū)一側(cè)的地表變形基本為負變形，即壓縮變形。在開采邊界兩側(cè)一定范圍內(nèi)的正負變形值呈現(xiàn)對稱分布，這符合一般地表移動變形特征。工作面從128m推進到213m過程中，地表水平移動變形最為劇烈，變形速度快、持續(xù)時間短，當(dāng)工作面推進到348m后，走向上地表拉伸變形趨于穩(wěn)定，最終走向最大水平移動變形值為38mm/m。傾向水平移動變形規(guī)律較明顯，在兩個開采邊界背向采空區(qū)一側(cè)的水平移動變形值較大，且為正值；而采空區(qū)一側(cè)的水平移動變形值也較大，為負值。在工作面從348m推進到608m過程中，傾向水平移動變形較為劇烈，也呈現(xiàn)變形速度快，持續(xù)時間短。在松散層淺埋條件下開采，地表移動變形分布規(guī)律基本符合一般開采工作面分布特點，而地表移動變形速度快，持續(xù)時間短和變形量較大是其獨有特征。

傾向值變化的規(guī)律圖如圖2.5和圖2.6所示。

根據(jù)走向線的傾向變化規(guī)律可知，由于Q10和Q21都位于采空區(qū)的邊界處，因此在Q10和Q21處偏向于采空區(qū)一側(cè)的傾向值必然較大，如Q11-Q10的傾向值是-20.57mm/ m，Q13-Q12的傾向值為-31.67mm/m，Q20-Q19是25.43mm/ m，Q19-Q18的值為43.13mm/m。

由于走向線上達到充分采動，傾向線尚未達到超充分采動，所以傾向上的地表傾斜值略小于走向。該工作面是近水平煤層開采，因此傾向上的地表傾斜總體表現(xiàn)為兩側(cè)基本對稱的特征。

2.3影響范圍

地表移動變形范圍主要通過邊界角和移動角反應(yīng)。地表移動變形的開始標(biāo)志為下沉10mm，由于存在觀測誤差和觀測點埋設(shè)處土壤季節(jié)性變化，下沉值為零的點實際上不能準(zhǔn)確確定，只能通過內(nèi)插求取近似值。邊界角可由下列公式確定：

松散層厚度40m，松散層的邊界角一般按規(guī)范取45°，由此可計算出基巖的邊界角為53°。因此走向綜合邊界角最終為51°，如圖2.7。

為獲取傾向邊界角的準(zhǔn)確值，按照邊界角確定條件，在傾向邊界上分別選取了點Q2和Q27，根據(jù)這兩點至工作面邊界的距離值及采深帶入公式2，計算出傾向邊界角，最后取其平均值，見表2.1。

松散層的邊界角一般按規(guī)范取45°，由此可計算出基巖的邊界角為56.3°。因此取傾向綜合邊界角為53°，具體關(guān)系如圖2.8。

地表的移動和變形會引起地面建筑物的破壞，將剛剛對地表建筑物產(chǎn)生影響的變形值稱為臨界變形值。根據(jù)臨界變形指標(biāo)值，分別在走向和傾向觀測線上選取了相應(yīng)特征點，具體見表2.2，根據(jù)移動角計算公式計算出對應(yīng)移動角值，最終取走向綜合移動角為77°，傾向綜合移動角平均值為77°。如果按規(guī)范取松散層移動角為45°，可得基巖移動角為79°。

受小采高的影響，上覆巖層移動變形很快就傳遞到地表，而地表松散層助推了該運動的進一步擴散和傳播，同時走向上已達到充分采動，使得移動變形趨于最大化，走向綜合邊界角偏小，充分說明了這一點。傾向上未達到充分采動，影響范圍相對較小。

3.總結(jié)

地表穩(wěn)定后，地表最大下沉速度為241mm/d，最大水平變形值為38mm/m，最大傾斜值為76.5mm/m，邊界角為51°，移動角為77°，裂縫角為86°。這些值較一般開采工作面偏大，因此在松散層淺埋煤層條件下開采，地表移動變形較為劇烈，對地表破壞程度較大，影響范圍較廣。

參考文獻：

[1]胡青峰，劉文鍇，崔希民，李春意，王新靜.煤柱群下重復(fù)開采覆巖與地表沉陷數(shù)值模擬實驗[J].煤礦安全， 2019， 50（11）：43-47.

[2]湯伏全，趙軍儀.相鄰工作面開采地表動態(tài)沉陷規(guī)律[J].金屬礦山， 2019（10）：8-13.

[3]李春意，馬愛陽，丁來中，柴華彬，張兵，王石巖.厚黃土層下采動地表沉陷規(guī)律研究[J].金屬礦山， 2019（10）：14-22.

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[5]李海欣，雷少剛，申艷琴.煤礦開采沉陷地裂縫對植被覆蓋的影響[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報， 2016， 32（02）：195-199.