厚松散层条件下综放开采地表沉陷规律与机理

易四海，郑志刚，滕永海

（煤炭科学研究总院唐山研究院，河北唐山 063012）

厚松散层条件下综放开采地表沉陷规律与机理

易四海，郑志刚，滕永海

（煤炭科学研究总院唐山研究院，河北唐山 063012）

在分析研究司马煤矿地表移动观测资料的基础上，研究了厚松散层条件下综放开采的地表移动特征。并采用数值模拟的手段，分别揭示了松散层、基岩岩性及厚度对地表沉陷规律的影响，解释了厚松散层条件下开采地表下沉系数偏大的机理。研究成果对安全合理地开采厚松散层、综放矿井“三下”压煤具有重要的参考价值。

松散层;综采放顶煤;地表沉陷;规律;机理

近年来，由于综采放顶煤一次采全高，开采强度大，地表沉陷变形异常剧烈，给地面建 （构）筑物和环境带来了严重的影响，引起了有关各界的重视和注意。目前，我国对综采放顶煤条件下地表沉陷规律已经做了大量的工作，也取得了一系列的成果［1－5］。但是在厚松散层条件下，由于松散层与基岩的岩性差别，采用综放开采其地表沉陷变形规律具有一定的特殊性，而国内外可借鉴的经验很少，给厚松散层、综放条件矿井“三下”压煤问题的解决带了一定的困难。

为系统掌握厚松散层条件下综放开采地表移动规律，利用设在司马煤矿的1101工作面地表移动观测站，进行了该条件下的地表岩移规律研究。并基于松散层的物理力学性质和现场实测资料，采用数值模拟的手段对厚松散层条件下综放开采的采动影响和机理进行了描述、分析。

1 试验区地质采矿条件

试验工作面为司马煤矿一采区的1101和1102工作面，两工作面相邻，均沿倾向布置，周围均为未采区。司马矿井田多为第四系黄土层所覆盖，地势平坦，地面标高一般在940m左右。矿井主采山西组3号煤，厚6～7m，倾角4°左右，赋存标高为520～815m。上覆岩层主要由砂岩、粉砂岩、泥岩、石灰岩及第三系、第四系地层组成，表土层厚度为36.1～198.95m，平均为140m左右，属厚表土层覆盖区，其中一采区表土层厚度达 170～200m，而基岩厚度仅为50～80m，表土层约占上覆地层总厚度的80%以上。

1101工作面为首采面，长960m，宽165m，开采厚度 6.5～6.8m，倾角 3～8°，平均采深219m，由东向西回采。2005年6开始回采，2006年6月回采结束，平均推进速度为2.67m/d。1102工作面长690m，宽174m，开采厚度5.9～6.8m，煤层倾角2～7°，平均采深225m，由东向西回采，2006年6开始回采，2007年3月回采结束，平均推进速度约为2.33m/d。采煤方法均采用倾斜长壁综采放顶煤一次采全高、全部陷落法处理顶板。

2 地表移动规律研究

司马煤矿1101和1102工作面地表岩移观测站分别沿工作面走向方向和倾斜方向各布设了1条观测线。受地质构造等因素影响，观测站设于工作面终采线一侧，开切眼一侧未布设测点，见图1。

图1 观测线布置

观测站于2006年初进行了测点的制造及埋设，控制点和工作测点稳定后进行了连接测量。2006年4月13日，岩移观测站进行了首次全面观测，到2007年5月结束，2年间进行了多次观测。根据实测资料，地表最大移动和变形值如表1。

司马煤矿具有采深浅、基岩薄、表土层厚、煤层厚的特点，采用倾斜长壁综采放顶煤一次采全高全部陷落法处理顶板，推进速度快、开采强度大，地表移动规律呈现出了一些新的特点:

（1）相对于同样采深薄松散层条件下综放开采，厚松散层条件下综放开采地表沉陷变形更加剧烈，沉陷时间比较集中，受采动影响极为敏感。

表1 实测地表最大移动变形值

为便于分析对比，将薄松散层、综采条件类似的五阳矿7503和7511工作面动态变形的数据一并列出，见表2。通过比较可看出，采动过程中，厚松散层条件下综放开采地表受采动影响极为敏感，地下开采活动产生的影响很快传递到地表，加之工作面推进速度快，地表移动的初始期很短，仅为10d左右。地表移动与变形极为剧烈且时间集中，在不到2个月的时间内，地表最大下沉值达到5530mm，最大倾斜变形值达77mm/m，最大水平变形达37.4mm/m;下沉速度快，达217.2mm/d;活跃期短，约为2个月，占总地表移动时间的25%，期间下沉量占总沉降量的90%以上;衰退期持续时间长，约为12个月，但下沉量很小。

（2）下沉盆地表现出厚松散层的特征，地表移动变形分布比较集中。

表2 厚、薄松散层工作面动态移动与变形比较

采用综合机械化放顶煤开采，煤层开采后，地表移动变形分布比较集中，主要表现在采空区边界以内地表下沉盆地陡峭，采空区边界以外地表下沉盆地平缓，即地表移动变形在拐点内侧下沉曲线发展较陡，下沉值较大;而在拐点外侧下沉曲线收敛较慢，影响范围向外扩展较远。表现在岩移参数上，地表下沉系数较大，达到0.94，主要影响角正切tanβ偏大，地表下沉速度偏大，动态变形值大，地表移动剧烈。

（3）松散层地表破坏严重，裂缝显著发育。

由于煤层开采厚度大，采深较浅，开采强度高，地表移动非常活跃，加之厚冲积层较为松散的特性，地表台阶状裂缝十分发育。裂缝一般分2种，一种是随着工作面不断向前推进，在工作面前方动态拉伸区不断出现的动态裂缝，该裂缝一般每隔5～10m出现1条，与工作面回采线大致平行呈弧状裂缝，裂缝宽度一般200mm，发育成熟一般10d左右，之后裂缝逐渐闭合消失，或残留一定的台阶痕迹;另一种是在工作面两侧边界附近下沉盆地边缘位置出现比较固定的裂缝，裂缝方向与采空区边界方向基本一致，有较明显的裂缝带，这些裂缝一般不会自然消失，裂缝最大宽度达 300～500mm，台阶落差最大达500mm。在压缩变形区域，地表还伴有鼓起现象。

3 机理分析

基于上述厚松散层条件下综放开采实测结果所显示出来的地表移动新特点，采用数值模拟软件FLAC3D分析了其内在机理。数值模拟共分为3组，松散层厚度为200m，煤层厚度为6m，基岩厚度分别取 20m，40m，60m，占采深的比重分别为9.09%，16.67%，23.08%，分别为采厚的3.33，6.67，10倍。表3为数值模拟厚松散层条件下不同基岩厚度的地表沉陷情况。由模拟结果可以看出，在松散层厚度不变，随基岩厚度的增加，地表下沉在程度上减少，在范围上无论走向还是倾向上都有所扩大。由上述规律可看出厚松散层条件下基岩厚度对地表的移动起到了控制作用。

表3 厚松散层条件下不同基岩厚度的地表沉陷情况

钱鸣高院士等人［6－7］提出的关键层理论，认为:在煤系岩层中，由于成岩时间和矿物组成的不同，使各岩层在厚度和力学特性等方面都存在着不同程度的差别，而其中一些较为坚硬的厚岩层在采场上覆岩体的变形和破坏中起着主要的控制作用，并且以某种力学结构 （板或简化为梁等）形式支承上部岩体的压力，而在破断后形成的结构形式（如砌体梁）又直接影响着采场矿压显现和岩层移动。这种在岩层活动中起主要控制作用的坚硬岩层称之为关键层。在厚松散层开采条件下，由于松散层的力学强度低，抗变形能力差，属软弱层，基岩无疑是厚松散层开采条件下地表沉陷的关键层，其移动变形和破坏，决定了上位岩层乃至地表的活动特点。

图2中的3组图分别为厚松散层条件下基岩厚度分别取20m，40m，60m时倾向剖面上岩层竖直移动等值线图。由覆岩移动大小分布规律来看，基岩厚度为20m时，煤层顶板垮落带发育高度超过基岩上界面而进入松散层，关键层遭到采动破坏，基岩失去了对上覆松散层直至地表的全部岩体运动的控制作用，松散层直至地表的全部岩体随之整体下沉，引起地表下沉量比较大，下沉系数接近于1。基岩厚度为40m和60m时，煤层顶板垮落带发育高度未超过基岩上界面，关键层未遭到完全破坏，松散层直至地表的全部岩体的运动尚处在基岩的控制下，但地表下沉量依然比较大，下沉系数比非厚松散层条件下开采偏高。这是因为松散层作为抗弯能力很低的松散介质覆盖于基岩之上，对基岩起荷载作用，在基岩受到采动破坏后，压密基岩内的垮落空隙和离层裂隙，加剧岩层的破坏和移动，引起地表下沉进一步加大。

另外，从数值计算的岩层移动特征可以看出，从基岩接触面起至地表的松散层内，各点的下沉量差异远无基岩内明显，而是基本相等，说明松散层呈整体性下沉。

这些岩层移动特征都体现了松散层影响的双重特性—— “加剧岩层破坏，缓解地表变形”［8］，即由于松散层的工程地质特征，松散层一方面对其下覆岩层而言是一重力载荷，促使和加剧岩层的破坏和移动;另一方面对于地表及地物而言，由于介质内部的自调整，在传递基岩面变形的过程中可进行变形缓解，减缓了地表变形。

图2 不同基岩厚度倾向剖面上岩层竖直移动等值线

由于松散层和基岩的巨大岩性差异，松散层下开采可用双层介质模型解释，即将基岩看作控制岩梁，松散层看成随机介质。基岩就像一组或若干组岩梁一样，支撑着其上覆载荷，有效控制着地表下沉;松散层在开挖时整体下沉充填基岩面所形成的下沉空间，地表下沉盆地的发展程度完全取决于基岩的下沉程度。因此，地表下沉值的大小完全取决于基岩的控制能力，即地表下沉系数取决于该地质采矿条件下基岩的控制能力。基岩的控制能力主要反映在基岩的破坏程度，当基岩整体完全破坏时，即采空区上方垮落带超过基岩面进入松散层，基岩失去对上覆松散层的控制能力，基岩内无法形成应力平衡结构，松散层整体下沉充填开采空间，该地质采矿条件下的地表下沉系数将会很大，接近于1;当基岩整体轻微破坏时，即采空区上方垮落带未超过基岩面且基岩上部分处于弯曲带、岩性完整，基岩可以对上覆松散层起到较好的控制作用，地表下沉表现为岩梁的弯曲下沉，该地质采矿条件下的地表下沉系数相对较小;当基岩整体中度破坏时，即采空区上方垮落带未超过基岩面且基岩上部分发生垂直层面的裂缝，该条件下基岩对上覆松散层能起到一定的控制作用，地表下沉系数介于基岩完全破坏和轻微破坏之间。大量的采矿实践表明，基岩的破坏程度主要与基岩岩性、基岩厚度、开采厚度和开采尺寸等因素有关。

4 结论

（1）地表移动观测显示，厚松散层下综放开采地表移动特征为:地表沉陷变形更加剧烈，沉陷时间集中，受采动影响极为敏感;地表移动变形分布集中;地表破坏十分严重，裂缝显著发育。

（2）厚松散层条件下，基岩是地表沉陷的关键层，其移动变形和破坏，决定了上位岩层乃至地表的活动特点，对地表移动起控制作用;松散层对其下覆岩层而言是一重力载荷，同时由于其物性能够缓解基岩传递的移动变形，在岩层移动过程中起到“加剧岩层破坏，缓解地表变形”的作用。

（3）厚松散层条件下地表下沉系数取决于该地质采矿条件下基岩的控制能力。基岩的控制能力主要反映在基岩的破坏程度，当基岩整体完全破坏时，基岩失去对上覆松散层的控制能力，地表下沉系数将会很大，接近于1;当基岩整体轻微破坏时，基岩可以对上覆松散层起到较好的控制作用，地表下沉系数相对较小;当基岩整体中度破坏时，地表下沉系数介于基岩完全破坏和轻微破坏之间。

［1］滕永海，唐志新，郑志刚.综采放顶煤地表沉陷规律研究及应用［M］.北京:煤炭工业出版社，2009.

［2］徐泮林，成 枢，戴素娟，等.综采放顶煤条件下的地表移动变形规律［J］.矿山测量，1997（3）:11－13.

［3］郭广礼，邓喀中，张连贵，等.综采放顶煤地表移动规律特殊性［J］.中国矿业大学学报，1999（4）:375－378.

［4］张华兴，梁京华，孙希奎，等.许厂煤矿放顶煤开采的地表移动规律［J］.矿山测量，2001（1）:53－55.

［5］吴 侃，邓喀中，周 鸣，等.综采放顶煤表土层移动监测成果分析［J］.煤炭学报，1999（1）:21－24.

［6］钱鸣高.岩层控制的关键层理论［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2000.

［7］许家林，钱鸣高.关键层运动对覆岩及地表移动影响的研究［J］.煤炭学报，2000（4）:122－126.

［8］殷作如.开滦矿区岩层移动与厚松散层地表移动规律研究［D］.北京:中国矿业大学（北京），2007.

Surface Subsidence Rule and Mechanism of Full-mechanized Caving Mining Face under Thick Loose Bed

YISi-hai，ZHENG Zhi-gang，TENG Yong-hai

（Tangshan Research Institute，China Coal Research Institute，Tangshan 063012，China）

Based on analysis of surfacemovement observation data from Sima Colliery，surfacemovement characteristic of full-mining cavingmining under thick loose bed was researched.The influence of loose bed，lithology and thickness of bed rock on surface subsidence was revealed by numerical simulation.The cause that surface subsidence ratiowas larger under thick loose bed was explained.The resultmight provide important reference for full-mechanized cavingmining under thick loose bed when mining under railway，village and buildings.

loose bed;full-mechanized cavingmining;surface subsidence;rule;mechanism

TD325.2

A

1006-6225（2011）04-0009-04

2011－03－03

国家自然科学基金项目 （51074089）;天地科技公司发展基金项目 （TZ－JJ－2010－TS－5）

易四海 （1980－），男，湖北公安人，工程师，博士，主要从事开采沉陷规律与“三下”采煤方面的研究工作。

［责任编辑:徐乃忠］

综述