徐良驥，王少華，馬榮振，朱 楠

(安徽理工大學(xué)測繪學(xué)院，安徽 淮南 232001)

厚松散層開采條件下覆巖運(yùn)動(dòng)與地表移動(dòng)規(guī)律研究

徐良驥，王少華，馬榮振，朱 楠

(安徽理工大學(xué)測繪學(xué)院，安徽 淮南 232001)

為分析厚松散層條件下采煤引起的覆巖運(yùn)動(dòng)與地表移動(dòng)變形規(guī)律，以淮南礦區(qū)顧北礦13121工作面、謝橋礦11316工作面、張集礦1217(1)工作面等3個(gè)厚松散層開采條件下的地表移動(dòng)觀測站實(shí)測資料為基礎(chǔ)，并結(jié)合相似材料模擬試驗(yàn)進(jìn)行研究，總結(jié)歸納了厚松散層開采條件下產(chǎn)生的地表下沉系數(shù)偏大和地表移動(dòng)變形活躍期等問題，獲得了厚松散層條件下覆巖運(yùn)動(dòng)與地表移動(dòng)變形規(guī)律研究方面具有一定參考價(jià)值的結(jié)論。

開采沉陷；厚松散層；覆巖運(yùn)動(dòng)與地表移動(dòng)；地表移動(dòng)觀測站；相似材料模擬試驗(yàn)

一、引 言

我國華東的大部分煤田，如兗州、徐州、大屯、淮南、淮北等大型煤炭礦區(qū)，第四系、第三系松散含水層覆蓋深厚，一般為200～400 m[1]。大量煤礦開采變形監(jiān)測結(jié)果表明，厚松散層薄基巖條件下煤層開采，地表移動(dòng)變形特征明顯不同于薄表土層開采條件，呈現(xiàn)下沉曲線拐點(diǎn)不對(duì)稱、地表裂縫發(fā)展成溝渠狀、下沉盆地波及范圍大等特點(diǎn)[2-7]。煤層上覆巖層及松散層厚度的比例不同，開采引起的地表沉陷規(guī)律和土地破壞特征有較大差異，研究厚松散層條件下覆巖運(yùn)動(dòng)與地表移動(dòng)變形規(guī)律對(duì)于地表建(構(gòu))

筑物保護(hù)、保障礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。

二、研究區(qū)概況

淮南礦區(qū)顧北礦、謝橋礦、張集礦均為巨厚新生界松散層下開采中厚—特厚煤層的大型現(xiàn)代化礦井。本文選擇的顧北礦13121工作面、謝橋礦11316工作面、張集礦1217(1)等工作面，其頂板主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖，以及中、細(xì)砂巖等組成，屬軟弱—中硬覆巖類型，地質(zhì)采礦條件屬于典型的厚松散層開采條件，影響各工作面開采的直接充水水源為煤層頂?shù)装迳皫r裂隙含水層。各工作面對(duì)應(yīng)地表為淮河沖積平原，地勢平坦。各工作面概況見表1。

表1 研究區(qū)內(nèi)選擇的各工作面地質(zhì)采礦條件概況

三、基于地表移動(dòng)觀測站實(shí)測數(shù)據(jù)的地表移動(dòng)變形規(guī)律

為獲取厚松散層開采條件下地表移動(dòng)變形規(guī)律，在綜合顧北礦13121工作面、謝橋礦11316工作面、張集礦1217(1)工作面地質(zhì)采礦條件及地表地形條件基礎(chǔ)上，分別沿煤層走向主斷面和傾向主斷面布設(shè)走向觀測線和傾向觀測線，構(gòu)成地表移動(dòng)觀測站，各觀測站具體情況見表2。

1. 地表移動(dòng)變形分布特征

根據(jù)地表移動(dòng)觀測站實(shí)測數(shù)據(jù)，解算獲得地表移動(dòng)變形參數(shù)見表3。

結(jié)果表明，厚松散層薄基巖開采后的地表移動(dòng)變形分布規(guī)律基本符合概率積分法的分布形態(tài)，但有其不同的特征：

表2 各工作面地表移動(dòng)觀測站概況

表3 研究區(qū)各工作面地表移動(dòng)變形參數(shù)表

1) 地表受采動(dòng)影響很敏感，按下沉速度1.67 mm/d臨界值來劃分移動(dòng)變形各階段，研究區(qū)地表移動(dòng)初始期短，占總移動(dòng)時(shí)間的3.5%～5.4%，下沉量占總下沉量的1.3%～1.5%；地表移動(dòng)很快進(jìn)入活躍期，活躍期占總移動(dòng)時(shí)間的38.9%～43.66%，但下沉量占總下沉量的84.6%～96.7%，活躍期內(nèi)地表移動(dòng)變形較為劇烈且集中；衰退期較長，占總移動(dòng)時(shí)間的55.48%～59.4%，而下沉量只占總下沉量的10.1%～13.5%。

2) 地表移動(dòng)盆地范圍變大，地表下沉最大值出現(xiàn)在傾向下山方向，地表移動(dòng)變形在拐點(diǎn)內(nèi)側(cè)下沉值較大，在拐點(diǎn)附近變形發(fā)展較為迅速，曲線較陡，而在拐點(diǎn)以外較遠(yuǎn)區(qū)域沉陷變形曲線收斂較慢，具體參數(shù)見表4。

表4 研究區(qū)各工作面地表移動(dòng)變形參數(shù)表

走向方向地表傾斜最大值位于開采區(qū)域邊界內(nèi)側(cè)，上山方向最大傾斜值位于開采區(qū)域邊界正上方(下沉曲線拐點(diǎn)處)。地表最大曲率出現(xiàn)在開采區(qū)域邊界和拐點(diǎn)之間，傾向上山方向的曲率值比較小。實(shí)測最大水平移動(dòng)出現(xiàn)在下沉盆地上山方向，走向和傾向水平移動(dòng)方向均指向采空區(qū)中心。實(shí)測走向方向最大水平變形位于開采區(qū)域邊界外側(cè)，走向方向大于上山方向。

2. 概率積分法地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)參數(shù)特征

概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)是以地表移動(dòng)觀測站實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)采用最小二乘擬合的方法求得[8-9]，各工作面求解的參數(shù)見表5。

1) 下沉系數(shù)偏大。在厚松散層薄基巖條件下采煤，地表下沉系數(shù)偏大的原因主要為：厚松散層作為自由荷載作用在基巖面上，當(dāng)荷載壓力作用在對(duì)巖層運(yùn)動(dòng)起控制作用的基巖上時(shí)，縮小了巖層的離層，減小了巖石的碎脹系數(shù)，導(dǎo)致地表下沉增大。

表5 概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)表

研究區(qū)工作面回采過程中，煤層上覆新生界松散含水層及頂板砂巖裂隙含水層為主要充水源，工作面開采導(dǎo)致覆巖破壞，造成含水層失水。研究區(qū)各工作面在掘進(jìn)過程中，均有不同程度的出水現(xiàn)象，出水形式多以滴淋水方式為主。顧北礦13121工作面掘進(jìn)時(shí)砂巖水正常涌水量為25 m3/h，最大涌水量可達(dá)100 m3/h。謝橋礦13116工作面掘進(jìn)時(shí)最大涌水量為13.7 m3/h。張集礦1217(1)工作面掘進(jìn)時(shí)最大涌水量為15 m3/h。

由于工作面上方基巖厚度較小，隔水層易出現(xiàn)裂隙或斷裂，使含水層水體在垂直方向上溝通從而流失，從而引起地表移動(dòng)范圍擴(kuò)大，地表下沉量增大[10-12]。

由于松散層飽和土體的失水固結(jié)變形，改變了土層孔隙結(jié)構(gòu)，引起地表下沉量增大，也導(dǎo)致厚松散層和基巖的下沉機(jī)理有所不同。本文的相似材料模擬試驗(yàn)結(jié)果也顯示，在工作面采動(dòng)過程中松散層內(nèi)部并未出現(xiàn)離層裂縫，而是呈整體下沉狀態(tài)。

2) 水平移動(dòng)系數(shù)、主要影響角正切值偏大。在厚松散層薄基巖條件下采煤時(shí)，因松散層具有流變和蠕變性，松散層會(huì)以流動(dòng)的形式隨著覆巖的垮落而填充采空區(qū)，導(dǎo)致地表移動(dòng)盆地范圍變大、更陡峭，使得水平移動(dòng)系數(shù)及主要影響角正切值均增大。

四、覆巖與松散層移動(dòng)變形規(guī)律試驗(yàn)研究

地表移動(dòng)變形動(dòng)態(tài)特征可由地表移動(dòng)觀測站資料分析獲取，覆巖及松散層的移動(dòng)變形動(dòng)態(tài)規(guī)律可以借助相似材料模擬試驗(yàn)獲取，以彌補(bǔ)現(xiàn)場觀測的不足。本文以相似材料模擬試驗(yàn)為基礎(chǔ)，采用非線性曲線擬合法分析模擬試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)，反演分析厚松散層條件下覆巖及松散層移動(dòng)變形規(guī)律。

為反演分析厚松散層開采條件下覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律，本文以顧北礦13121工作面和張集礦1217(1)工作面為例開展相似材料模擬試驗(yàn)研究。

顧北礦13121工作面相似材料模擬試驗(yàn)的平面模型尺寸(長×寬×高)為4000 mm×300 mm×1400 mm，模型幾何相似比為1∶100、容重相似比為0.6、時(shí)間相似為1∶12。在模型內(nèi)距煤層頂板10 cm、24 cm、35 cm、45 cm、55 cm、60 cm、70 cm、80 cm、90 cm、100 cm等覆巖關(guān)鍵層及松散層處，布設(shè)10條位移觀測線，每條線布設(shè)28個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)間距為10 cm。

試驗(yàn)首先從左側(cè)邊界處切眼開始，每2 h開采一次，每次推進(jìn)5 cm，煤層采高為3.3 cm，回采長度260 cm。模型采動(dòng)期間采用全站儀共進(jìn)行12次觀測[13]。相似材料模型如圖1(模型中黑線為基巖與松散層交界面，距煤層頂板45 cm。)及圖2所示。圖3給出了不同采動(dòng)程度下覆巖及松散層內(nèi)各觀測線的動(dòng)態(tài)下沉曲線。

圖1 平面相似材料模擬模型

圖2 模型應(yīng)力杠桿加載系統(tǒng)

張集礦1217(1)工作面相似材料模擬試驗(yàn)的平面模型尺寸(長×寬×高)為3000 mm×300 mm×1360 mm，模型幾何相似比為1∶00、容重相似比為0.6、時(shí)間相似為1∶12。在模型內(nèi)距8煤頂板10 cm、80 cm、95 cm、120 cm等覆巖關(guān)鍵層處，布設(shè)4條位移觀測線，每條線布設(shè)29個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)間距為10 cm。

試驗(yàn)首先從右側(cè)邊界處切眼開始，每2 h開采一次，每次推進(jìn)5 cm，煤層采高3.1 cm，回采長度120 cm。模型采動(dòng)期間采用全站儀共進(jìn)行15次觀測。相似材料模型如圖4及圖5所示，圖6給出了不同采動(dòng)程度下覆巖及松散層內(nèi)各觀測線的動(dòng)態(tài)下沉曲線。

圖4 平面相似材料模擬模型

圖6 不同采動(dòng)程度下覆巖內(nèi)部各觀測線動(dòng)態(tài)下沉曲線

1) 由圖3(a)—(g)和圖6(a)—(b)松散層內(nèi)各觀測線實(shí)測下沉曲線可知，受采動(dòng)影響，穩(wěn)定后的下沉曲線呈現(xiàn)不對(duì)稱的槽狀，拐點(diǎn)偏向采空區(qū)內(nèi)側(cè)；各觀測線下沉曲線趨勢基本一致，在采動(dòng)后期及穩(wěn)定階段松散層呈現(xiàn)整體下沉趨勢。

2) 由圖3(h)—(j)和圖6(c)—(d)基巖關(guān)鍵層觀測點(diǎn)實(shí)測下沉曲線可知，受采動(dòng)影響，基巖并不呈整體下沉趨勢，巖層在下沉過程中出現(xiàn)的斷裂、裂隙及形成的砌梁結(jié)構(gòu)現(xiàn)象，減緩了覆巖沉降，因此在下沉曲線局部位置呈現(xiàn)出上翹趨勢。

五、結(jié) 論

1) 通過地表移動(dòng)觀測站實(shí)測數(shù)據(jù)分析，獲取了厚松散層條件下地表移動(dòng)變形規(guī)律：地表移動(dòng)變形起動(dòng)距??；地表受采動(dòng)影響敏感，巖層移動(dòng)變形很快傳遞到地表，地表移動(dòng)初始期短，活躍期內(nèi)地表移動(dòng)變形劇烈且下沉量最大，持續(xù)時(shí)間長，衰退期時(shí)間較長但下沉量較??；地表移動(dòng)盆地范圍大；水平移動(dòng)系數(shù)、主要影響角正切值偏大；地表移動(dòng)變形劇烈，下沉系數(shù)偏大。

2) 通過相似材料模擬試驗(yàn)研究分析，厚松散層受采動(dòng)影響將呈整體下沉趨勢，基巖關(guān)鍵層對(duì)上覆巖層及地表移動(dòng)起控制作用，當(dāng)關(guān)鍵層以彈性梁結(jié)構(gòu)形式處于彈塑性變形狀態(tài)時(shí)，地表下沉為彎曲型，當(dāng)關(guān)鍵層破斷時(shí)，將導(dǎo)致地表快速斷裂下沉。

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Research of Overburden and Surface Movement Deformation Regulation Caused by Mining under Thick Alluvium

XU Liangji，WANG Shaohua，MA Rongzhen，ZHU Nan

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10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0312

2015-05-06 基金項(xiàng)目： 國家自然科學(xué)基金(41472323)；安徽省對(duì)外科技合作項(xiàng)目(1503062020) 作者簡介： 徐良驥(1978—)，男，博士，副教授，主要從事礦山開采沉陷變形監(jiān)測方面的教學(xué)與研究工作。E-mail:ljxu@aust.edu.cn

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0494-0911(2015)10-0052-05