厚松散層黃土丘陵地貌開采沉陷規律實測研究

溫建生

(山西汾西礦業(集團)有限責任公司柳灣煤礦，山西 呂梁 032300)

煤炭開采必然伴隨著圍巖及地表的移動變形，進而影響到地面建構筑物的使用，給居民生活和生態環境造成了極大的困擾，而厚松散層黃土丘陵地貌下的沉陷規律更為復雜，各礦區積極建立巖移觀測站研究開采沉陷的地表移動變化規律[1-5]。在積累了大量實測資料的基礎上，經過專家學者的多年探索，目前對沉陷的一般規律已經有了較為深刻的認識。郭文兵[6]等基于實測資料總結了高強度開采條件下地表移動變形規律及其研究進展，提出了采動損害防控的新思路。但由于厚松散層的特殊性，近年來相關學者對此也進行了研究[7-11]。徐乃忠[12]等總結了厚松散層條件下的沉陷規律及地表移動參數與地質采礦條件的關系。松散層與基巖性質差別較大，煤層開采造成的地表移動也具有不同的特征，黃土丘陵區地形地貌及黃土強度高、壓縮性低的力學特性加劇了地表移動的特殊變化[13-15]，使得地表移動變形具有特殊性和復雜性。

本文以柳灣礦61115工作面實測資料為基礎，總結厚松散層黃土丘陵地貌開采條件下地表移動變形的動態及靜態規律，為類似地質條件下，礦區合理留設保護煤柱和災害防治工作的開展提供依據。

1 工作面基本情況

1.1 工作面概況

柳灣煤礦61115工作面地表松散層較厚，主要由黃色、土黃色、淺棕色、淺紅色亞砂土、亞黏土、鈣質結核、礫石和沖積層組成。根據周邊鉆孔揭示松散層厚度達52.4 m，屬于厚松散層。工作面地處黃土高原低山丘陵區，梁峁綿延，溯源侵蝕劇烈。工作面設計開采11#煤層，工作面走向長1 376 m，傾向長201 m。本區域11#煤埋藏深度平均208 m，煤厚約5.43 m，煤層結構復雜，含四層以上夾矸，夾矸厚0.02～0.20 m。11#煤頂板為1.57 m厚的黑灰色頁巖，性脆，抗壓強度389 kg/cm2，底板為5.4 m厚的深灰色泥巖，含鋁質，遇水變軟膨脹，抗壓強度147 kg/cm2。煤層傾角0°～6°，平均3°左右，屬近水平穩定可采煤層，開采方法為長壁式后退綜采法。

1.2 觀測站概況

柳灣煤礦61115工作面為矩形，根據地形布設半條走向觀測線(A線)和兩條傾向觀測線(B線、C線)。其中，走向A線總長度為1 090 m，位于工作面中部偏向下山8 m；傾向B線總長度680 m，距離開切眼670 m；傾向C線總長度680 m，距離停采線615 m，工作面實際布點情況如表1和圖1(控制點未標出)所示。

61115工作面回采前完成了點位放樣、埋石等前期工作，自2017年10月28日至2019年9月16日，對地表移動觀測站共進行了13次觀測，其中包括全面觀測、巡視測量、日常觀測等工作，取得了較好的觀測效果。

表1 觀測線布點明細表Table 1 Observation lines

圖1 觀測點布設情況Fig.1 Layout of observation points

2 觀測成果分析

2.1 動態規律研究

1)超前影響分析。當工作面推進到一定距離時地表開始下沉，工作面前方的地表受到開采擾動從而產生超前影響。通過處理實測數據，獲得了第2～6期的超前影響距和超前影響角，統計結果見表2和圖2。

表2 開采過程中各期超前影響Table 2 Advancing influence of each stage in the mining process

圖2 超前影響與推進距離的關系Fig.2 Relationship between advancing influence and driving distance

通過分析可以發現，隨著工作面不斷推進，達到啟動距后，超前影響距從56 m增加到147 m，超前影響角從75.5°減小到55.9°。由于未能監測到6期之后的超前影響，因此可知開采初中期超前影響距有增大的趨勢，超前影響角在減小。結合地質條件分析，在厚松散層情況下，基巖上覆載荷較大，受采動影響難以形成平衡拱效應，在工作面不斷推進的過程中，基巖發生周期性破斷，且破壞程度有所擴大，導致超前影響距的增大及超前影響角的減小。

2)下沉曲線分析。如圖3所示，觀測初期，觀測點已經出現下沉，隨著工作面的推進，開采面逐漸形成小的移動盆地；繼續推進后，移動盆地相繼變大，最大下沉點不斷向前移動，呈現出離采空區中心越近下沉量越大的規律，實測曲線整體形態符合開采下沉規律，采區中心部分下沉點的下沉量達到6.8 m，超過平均煤厚5.43 m。除煤厚不均勻的影響外，與地表厚松散層的特點也有關系。一方面，厚松散層在受到采動影響后易發生水分流失，在自重作用下發生固結壓縮；另一方面，受山區丘陵地貌影響，地表黃土強度較弱易發生滑移，這兩種因素共同導致了部分區域出現下沉量較大的現象。

3)下沉速度曲線分析。從圖3中可以看出，地表下沉幾乎沒有經歷初始期，活躍期和衰退期占到地表移動總時間的95%。地表下沉主要集中在活躍期，活躍期占地表移動總時間的33%，下沉量占總下沉量的97%，最大下沉速度達50.7 mm/d，導致下沉速度曲線在活躍期變化較快，呈尖銳三角狀，而在衰退期變化緩慢，呈現平穩狀。出現這種曲線形態的原因是：松散層較厚，基巖較薄，難以形成支撐結構，導致巖層破斷后迅速傳至地表，造成地表活動劇烈，地表移動幾乎不經歷初始期而是直接進入活躍期，且活躍期下沉量較大，后續下沉量較小。

圖3 下沉速度曲線Fig.3 Subsidence velocity curve

2.2 靜態規律研究

1)基巖移動角及綜合邊界角。61115工作面走向長1 376 m，走向屬于充分采動，傾向長201 m，傾向屬于非充分采動，整體為非充分采動。處理地表穩定后，最后一期實測數據得到走向線和傾向線的基巖移動角及綜合邊界角見表3所示。

通過表3可以發現，走向線和傾向線的基巖移動角比較大(平均78°)，而對應的綜合邊界角較小(平均61°)。這種情況造成下沉曲線中間陡峭，邊緣變形區平緩且范圍較大，表明下沉相對集中但影響范圍較大，這些正是厚松散層下開采地表移動所特有的特征。

表3 主斷面角量參數Table 3 Angle parameters of major section

2)地表破壞形式。由現場實際觀測可以看出，在開采影響范圍內，黃土覆蓋地表會產生較多的地表裂縫，裂縫發育整體上受工作面及地形的控制，部分近似平行于工作面邊界，部分地形沿等高線方向發育。裂縫的形狀為楔形，隨深度的增大而減小，到一定深度后尖滅。黃土陡崖部位及溝谷邊緣多出現小型崩塌及滑坡，在公路上產生較嚴重的下沉及破壞。如圖4所示，上述現象正是厚松散層黃土丘陵地貌開采后地面破壞的典型形式。

(a)裂縫

3 概率積分法參數求取

概率積分法目前發展較為成熟，在我國礦區煤柱設計中有著廣泛的應用。概率積分法主要包括5個參數，分別為下沉系數、水平移動系數、主要影響角正切、開采影響傳播角和拐點偏移距。以61115工作面走向線和傾向線觀測點實測數據為基礎，運用最小二乘法進行擬合，并求取參數，結果見表4。

表4 概率積分法參數Table 4 Parameters of probability integration method

從表4的結果中可以發現，厚松散層黃土丘陵地貌概率積分法參數具有如下特點：

1)下沉系數達到了0.91，水平移動系數為0.3，下沉系數和水平移動系數均偏大。這是由于松散層較軟，不產生離層，同時伴有失水壓實現象導致下沉量偏大，并且在山區丘陵地貌的影響下，松散層發生隨地勢起伏滑動及滑移現象，導致水平移動系數也偏大。

2)主要影響角正切為2.5也偏大。這是由于主關鍵層形成的砌體梁在厚松散層作用下難以形成拱結構，導致關鍵層破斷迅速傳播至地表，使地面移動變形劇烈，形成漏斗狀移動盆地。

4 結論

1)厚松散層黃土丘陵地貌條件下，開采初期及中期的超前影響距隨工作面采動程度增大而增大，超前影響角隨采動程度增大而減小。

2)厚松散層黃土丘陵地貌條件下地表下沉幾乎不經歷初始期，衰退期較長但下沉量較小，地表下沉主要集中在活躍期，活躍期下沉量和最大下沉速度都較大。

3)厚松散層黃土丘陵地貌條件下基巖移動角偏大，綜合邊界角偏小，地表移動盆地范圍大，且易出現裂縫及小型崩塌。

4)厚松散層黃土丘陵地貌條件下的概率積分法參數中的下沉系數、水平移動系數、主要影響角正切均偏大。