郭啟琛 李文平 王啟慶 楊東東

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州221000)

我國(guó)西部地區(qū)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(duì)于該類礦區(qū)已有大量關(guān)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(dòng)傳播至地表產(chǎn)生的沉降現(xiàn)象，在薄基巖淺埋深礦區(qū)日益嚴(yán)重［7-8］，大量學(xué)者分別從數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、采煤方法、開采充分性等方面對(duì)地表采動(dòng)裂縫的深度、寬度及影響范圍，地表沉降規(guī)律以及地表開采沉降的機(jī)理、規(guī)律進(jìn)行了深入研究［10-13］，但對(duì)于薄基巖淺埋深礦區(qū)地表開采沉降直接影響因素的判斷，未直接突出地質(zhì)條件變化的影響。鄂爾多斯某礦區(qū)煤層埋深淺(多在200 m 以內(nèi))，基巖厚度不大(最薄處不足50 m)，區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡(jiǎn)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(duì)地表開采沉降及主要影響因素進(jìn)行分析。

1 研究區(qū)概況

鄂爾多斯某煤礦區(qū)地形總體西高東低、北高南低，標(biāo)高1 183 ～1 405 m，地表主要為風(fēng)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(qū)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(shè)計(jì)走向長(zhǎng)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(shè)計(jì)采高4.5 m，煤層傾角0° ～3°，可認(rèn)為近似水平，煤層頂板埋深約150 m。采用長(zhǎng)壁后退式采煤方法進(jìn)行開采，裝備一套綜合機(jī)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(fā)現(xiàn):煤層上覆基巖厚度較小，最薄處僅53.92 m，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上部為強(qiáng)風(fēng)化殼，受構(gòu)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(dá)100 m，因此該采區(qū)整體具有薄基巖淺埋深特征。

2 地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)

分別沿工作面走向、傾向布置了2 條觀測(cè)線，共154 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，其中走向線布置97 個(gè)點(diǎn)，傾向線布置2條，分別有28 個(gè)和29 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距25 m。觀測(cè)站于2014 年10 月5 日完成首次觀測(cè)記錄，但由于工程進(jìn)度等問題，觀測(cè)站布測(cè)時(shí)工作面已經(jīng)開始開采，因此B#97～B#71點(diǎn)的原始高程數(shù)據(jù)是根據(jù)1∶ 10 000地形圖采用等高線內(nèi)插法求出的。在B#80點(diǎn)處，即工作面推進(jìn)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(fù)開采，2015年7 月1 日完成最后一次監(jiān)測(cè)，共監(jiān)測(cè)16 次。

3 地表移動(dòng)變形規(guī)律及預(yù)測(cè)

由于采空區(qū)上覆巖層基巖頂部有風(fēng)化現(xiàn)象，因此砂巖等巖體的力學(xué)參數(shù)以實(shí)測(cè)為準(zhǔn)，根據(jù)采空區(qū)上覆地層鉆孔資料、巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算的覆巖綜合評(píng)價(jià)系數(shù)為0.793，采空區(qū)走向長(zhǎng)度與采深比(L0/H0)≥0.8，屬充分采動(dòng)。運(yùn)用概率積分法［14］對(duì)礦區(qū)地表移動(dòng)變形的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果見表1。部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見圖1、圖2。

表1 礦區(qū)地表移動(dòng)變形參數(shù)預(yù)測(cè)值Table 1 Surface movement parameters and its prediction values of mining area

圖1 23103 工作面走向線動(dòng)態(tài)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(dòng)態(tài)水平移動(dòng)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(jìn)，地表下沉逐漸增大，從2014 年12 月13 日第二切眼開始恢復(fù)開采后，整體地表觀測(cè)點(diǎn)隨著開采經(jīng)歷一個(gè)由開始移動(dòng)到劇烈移動(dòng)最后到停止移動(dòng)的全過程，地表沉降穩(wěn)定后最終走向方向?yàn)榘霟o(wú)限開采，傾向方向?yàn)橄鲁僚璧?，且均達(dá)到充分采動(dòng)。②走向地表沉降量與水平移動(dòng)量整體動(dòng)態(tài)變化較大，主要由開采速度、上覆巖層性質(zhì)差異導(dǎo)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(shì)，累計(jì)沉降量未見明顯隨地表起伏變化而變化。實(shí)測(cè)地表最大沉降量為3.544 m(點(diǎn))，最大水平移動(dòng)量為1.816 m(點(diǎn))，由于地表采動(dòng)移動(dòng)規(guī)律與采深、采厚、上覆巖性、工作面尺寸等因素有關(guān)，盡管預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值存在一定的誤差，但預(yù)測(cè)值仍具有一定的精度。

4 礦區(qū)地表開采沉降影響因素

由于地下礦產(chǎn)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(dǎo)致巖層產(chǎn)生移動(dòng)、變形、破壞、塌落。采區(qū)上覆巖層的沉降及由此引起的地表移動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的過程，受采礦方法、頂板控制、礦體厚度、傾角、開采強(qiáng)度、巖石物理力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、巖石風(fēng)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(shù)無(wú)較大變化，因此該采區(qū)的開采地表沉降主要受頂板巖性變化和開采強(qiáng)度(工作面推進(jìn)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(jìn)至360 ～1 798 m 的區(qū)域進(jìn)行分析，該區(qū)域內(nèi)開采速度較均衡。統(tǒng)計(jì)區(qū)內(nèi)鉆孔數(shù)據(jù)，運(yùn)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(nèi)的分布情況見圖3。由圖3 可知:在工作面360 ～1 798 m 區(qū)域內(nèi)，基巖厚度與松散層厚度呈完全相反的分布形態(tài)，在工作面南部，推進(jìn)至360 m 處，基巖最薄僅達(dá)77 m，而松散層厚度最大可達(dá)70 m，沿工作面推進(jìn)方向向北，基巖逐漸變厚而松散層厚度則越來(lái)越薄，在工作面內(nèi)基巖北部厚度可達(dá)110 m 以上，松散層最薄約20 m。

運(yùn)用ArcGIS 軟件對(duì)高程插值得出的23103 工作面內(nèi)走向觀測(cè)點(diǎn)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(jì)下沉曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖4。由圖4 可知:工作面推進(jìn)至約360 m 處，基巖厚度最小，松散層厚度最大，而對(duì)應(yīng)距離內(nèi)的地表累計(jì)沉降量也最大，達(dá)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(duì)應(yīng)的地表沉降量也驟然減小至3.5 m，之后工作面推進(jìn)地段基巖逐漸變厚，松散層逐漸變薄但趨勢(shì)較緩，地表沉降變化雖不明顯，但亦同樣有減小的趨勢(shì)，說(shuō)明該礦區(qū)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(jì)沉降量曲線Fig.4 Thickness of bedrock and loose layer and total subsidence curve of the strike line

礦區(qū)地表沉降與松散層基巖層厚度比值(HS/HJ)的關(guān)系如圖5 所示。由圖5 可知:當(dāng)HS/HJ≥0.4時(shí)，隨著HS/HJ值降低，地表沉降相應(yīng)減小;當(dāng)HS/HJ＜0.4 時(shí)，隨著HS/HJ值變化趨于穩(wěn)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(qū)域應(yīng)注意煤層開采引起的地表沉降問題。

圖5 走向累計(jì)沉降量與HS/HJ 的關(guān)系Fig.5 Relationship between total subsidence of the strike line and HS/HJ

4.2 開采強(qiáng)度(工作面推進(jìn)速度)

在開采過程中，工作面頂板支護(hù)強(qiáng)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(qiáng)度(工作面推進(jìn)速度)。通過整理開采資料及對(duì)應(yīng)地段的地表觀測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得出工作面推進(jìn)速度以及隨著工作面開采地表動(dòng)態(tài)沉降的最大值。為突出工作面推進(jìn)速度對(duì)地表沉降的影響，選取工作面推進(jìn)速度變化較明顯的320 ～1 798 m 地段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，工作面隨著開采強(qiáng)度(工作面推進(jìn)速度)的增加至平穩(wěn)，地表最大沉降值也逐漸變大至平穩(wěn)，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(qū)地表沉降受開采強(qiáng)度(工作面推進(jìn)速度)的影響較明顯，為防止地表沉降過大，應(yīng)嚴(yán)格控制開采強(qiáng)度(工作面推進(jìn)速度)。

5 結(jié) 論

(1)盡管采用概率積分法預(yù)測(cè)的鄂爾多斯某礦區(qū)充分采動(dòng)的地表沉降值與實(shí)測(cè)值存在一定的誤差，但仍具有一定的可靠性。

(2)礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定，地表沉降受松散層厚度、基巖厚度以及開采強(qiáng)度(工作面推進(jìn)速度)的影響較明顯，相對(duì)而言，開采強(qiáng)度(工作面推進(jìn)速度)對(duì)地表沉降的影響最為顯著。

(3)在礦區(qū)HS/HJ值較大的地段開采時(shí)，為防止地表沉降過大，可適當(dāng)降低開采強(qiáng)度(工作面推進(jìn)速度)以保護(hù)礦區(qū)地表安全。

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