厚松散层综放开采条件下地表岩移参数分析

郑志刚，滕永海

(1.中国矿业大学(北京)地球与测绘工程学院，北京 100083；2.中煤科工集团 唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)



厚松散层综放开采条件下地表岩移参数分析

郑志刚1,2，滕永海2

(1.中国矿业大学(北京)地球与测绘工程学院，北京 100083；2.中煤科工集团 唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

[摘要]以潞安矿区地表岩移观测站实测资料为基础，分析了厚松散层综放开采条件下地表静态变形和动态变形的特点，运用回归分析方法对概率积分法地表移动预计参数、地表动态变形参数进行了归纳分析，得到了地表移动参数与地质采矿条件之间的函数关系式，研究对厚松散层下厚煤层“三下” 开采及地表移动预计有一定指导意义。

[关键词]厚松散层；综放开采；岩移参数；动态岩移参数；回归分析

大量实测资料表明，厚松散层是影响地表移动盆地形态、岩移参数及其变化规律的重要因素[1-2],由于松散层自身的特殊性和地层结构的复杂性，在同一矿区甚至同一采区，地层条件变化也会导致地表移动变形规律及岩移参数出现较大差异，给厚松散层矿区“三下”采煤及地面建筑物保护带来一定困难。因此，分析研究厚松散层下地表移动变形参数，揭示其内在的变化规律，对煤炭资源的开采、环境保护等具有重要的实际意义[3-4]。

为了掌握厚松散层综放开采条件下地表移动变形规律，潞安集团先后在王庄煤矿、司马煤矿、高河煤矿等进行了大规模的开采试验，并建立了地表岩移观测站，进行了系统的观测与研究，获得了厚松散层下开采地表岩移预计参数、动态变形参数，以及相关参数与地质采矿因素的相互关系。

1试验区地质采矿条件

潞安矿区位于山西省东南部，沁水煤田的东部中段，矿区多为厚松散层所覆盖，地质条件比较简单，开采煤层为山西组3号煤，赋存稳定，煤厚6.2～7.0m，煤层倾角3～6°，采深248～530m，均采用综采放顶煤开采工艺，全部陷落法管理顶板。各试验工作面开采情况见表1。

表1　试验工作面开采情况

试验区煤层上覆地层主要为山西组、下石盒子组、上石盒子组及第三系、第四系地层，基岩岩性以砂岩、粉砂岩、泥岩、砂质泥岩为主，厚度为62～336m，第三系、第四系地层主要由亚砂土、亚黏土、黏土、砂组成，厚度为110～189m。各试验区地层赋存条件相似，为其内在规律的研究提供了有利条件。

2地表移动变形观测

潞安矿区在试验区地表建立了5个地表移动观测站，共布设了5条走向观测线，7条倾向观测线；走向线长640～1120m，倾向线长870～920m，共设工作测点430个，测点间距20～25m，控制点31个，控制点间距45m左右。在采动期间进行了系统的观测与研究，获得了相关的概率积分法岩移预计参数、角值参数和动态变形参数[5-8]，见表2，3，4。表2中S为拐点偏移距，m；H为开采深度，m。

表2　概率积分法岩移预计参数

表3　岩层移动角值参数

表4　动态地表变形参数

3地表移动规律

3.1静态地表移动规律

图1　地表下沉曲线

3.1.1地表下沉盆地形态

根据实测资料，求取了不同时期工作面地表的移动变形值，并绘制了地表下沉曲线图，见图1。

从图1可以看出，在厚松散层综采放顶煤条件下，地表移动变形非常剧烈，采空区正上方下沉值大，开采边界附近下沉曲线陡峭，倾斜变形大，边界以外曲线比较平缓，下沉值小，但扩展范围大。通过岩层移动角值参数同样可以看出，边界角偏小，移动角、裂缝角略大，表明采动影响范围大，但采动损害临界点范围较小。

通过对比各观测结果可知，在厚松散层条件下，基岩厚度与下沉盆地的形态有一定关系，基岩越薄，下沉曲线越陡，基岩越厚，下沉曲线越平缓。

3.1.2下沉系数

地表下沉系数与采煤方法、顶板管理方法、上覆岩层岩性、重复采动、开采深度、第四纪松散层厚度等因素有关。在其他条件基本相同时，与基岩厚度、松散层厚度密切相关。通过分析发现，地表下沉系数q与松散层厚度h、基岩厚度H0之比h/H0呈线性关系。其关系式如下：

q=0.764+0.1017h/H0

(1)

图2为地表下沉系数q与h/H0的相关曲线图。从图中可知，上覆地层中松散层厚度所占比重越大，地表下沉系数越大；反之，下沉系数越小。

图2　q与h/H0相关曲线

3.1.3水平移动系数

水平移动系数b主要与上覆岩层性质有一定的关系，与其他因素关系不大。分析厚松散层条件下地表移动系数b与松散层厚度h、开采深度H之比h/H之间的关系见图3。其函数关系为：

b=0.2092h/H+0.167

(2)

图3　b与h/H相关曲线

3.1.4主要影响角正切

主要影响角正切tanβ的大小与采煤方法、顶板管理方法、上覆岩层、松散层厚度等因素有关。当采煤方法、顶板管理方法基本相同时，主要与煤层上覆基岩、松散层的厚度有关。图4绘制了主要影响角正切tanβ与松散层厚度h和上覆岩层H0之比h/H0的相关曲线。关系式如下：

tanβ=2.607+0.2176h/H0

(3)

图4　tanβ与h/H0相关曲线

3.1.5拐点偏移系数

通常，拐点偏移系数S/H与上覆岩层的岩性、开采深度、煤层倾角、采动程度、重复采动、边界煤柱的尺寸、开采边界有无老采区等因素有关。由于厚松散层条件下，浅部开采时其拐点偏移系数偏小，而在深部开采时其拐点偏移系数亦较小，导致拐点偏移系数规律性较差，与地质采矿条件相关性不明显。

3.1.6开采影响传播系数

开采影响传播角θ0取决于煤层倾角及开采影响传播系数K，K主要与上覆岩层岩性、煤层开采深度等有关。分析发现，厚松散层下K与H0呈对数关系，如图5所示。其关系式如下：

K=0.145lnH0-0.045

(4)

图5　K回归曲线

3.2动态地表移动规律

3.2.1动态地表移动变形

表5列出了1101，6206，w1303工作面的最大动态和最大静态地表变形值。可以看出，在厚松散层综放开采条件下动态地表变形值非常大，远超一般建筑物所能承受的地表变形值。

由表5可以看出，最大动态倾斜值为静态倾斜值的0.83～0.89，最大动态负曲率值为静态负曲率值的0.62～0.92，最大动态正曲率值为静态正曲率值的0.63～0.96，最大动态压缩变形值为静态压缩变形值的0.39～0.81，最大动态拉伸变形值为静态拉伸变形值的0.43～0.81；动态倾斜受采深(或基岩厚度)的影响不大，动态曲率与静态曲率之比随采深(或基岩厚度)增大有所减小，动态水平变形与静态水平变形之比则随采深(或基岩厚度)增加显著减小。

表5　最大动态地表移动变形值与最大静态地表变形值

3.2.2地表最大下沉速度

地表下沉速度Vm是反映地表动态变形的主要指标，它取决于煤层开采厚度、开采深度、煤层倾角、工作面推进速度、上覆岩层岩性、采煤方法和顶板管理方法等因素。

(5)

式中，C为工作面推进速度，m/d；H0为工作面平均采深，m；Wm为地表最大下沉值，mm。

3.2.3下沉速度滞后角

地表最大下沉速度滞后角与开采深度、煤层倾角、工作面推进速度、上覆岩层岩性、采煤方法和顶板管理方法等因素有关。

经分析发现，下沉速度滞后角φ与开采深度H、松散层厚度h及工作面推进速度C有关，与h·C/H呈近似对数关系，相关曲线见图6。其关系式如下：

φ=-5.2812ln(h·C/H)+78.984

(6)

图6　φ与hc/H相关曲线

3.2.4地表移动延续时间

地表移动延续时间t与煤层开采深度、煤层开采厚度、煤层倾角、工作面推进速度、采煤方法、顶板管理方法、上覆岩层岩性、重复采动等因素有关。

在厚松散层综放开采条件下，地表移动活跃期较短，衰退期偏长，但活跃期内地表累计下沉量所占比重较大。通过分析发现，开采深度、松散层厚度对地表移动持续时间有明显的影响。图7绘制了地表移动延续时间T与H，h的相关曲线图。其关系式如下：

T=31.459×10-4·Hh+252.1

(7)

图7　T与H·h相关曲线

4结论

(1)在厚松散层综采放顶煤条件下，地表移动盆地影响范围较大，采空区上方下沉量大，采空区边界下沉盆地陡峭，变形剧烈，盆地边缘平缓，边界角偏小，移动角与裂缝角略大。

(2)地表下沉系数、主要影响角正切随松散层厚度的增加而增大，随基岩厚度的增加而减小；水平移动系数随松散层厚度的增加而增大，随开采深度的增加而减小；开采影响传播系数随基岩厚度增加而增大。

(3)动态倾斜受采深(或基岩厚度)的影响不大，动态曲率与静态曲率之比随采深(或基岩厚度)增大有所减小，动态水平变形与静态水平变形之比则随采深(或基岩厚度)增加显著减小，表明厚松散层综放开采下竖直方向的移动变形加快，水平方向上的移动变形则相对滞后。

(4)地表下沉速度与地表最大下沉值成正比，与工作面推进速度的平方根成正比，与采深成反比；下沉速度滞后角与h·C/H呈近似对数关系；地表移动持续时间与煤层开采深度、松散层厚度有关，开采深度越大、松散层越厚，地表的移动持续时间越长。

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[责任编辑：李青]

Ground Surface Rock Strata Movement Parameters of Thick Loose Strata with Fully Mechanized Top Coal Caving

ZHENG Zhi-gang1，2，TENG Yong-hai2

(1.Geosciences and Surveying Engineering College，China University of Mining & Technology (Beijing)，Beijing 100083,China;2.CCTEG Tangshan Research Institute，Tangshan 063012，China)

Abstract：On the basis of measured data of ground surface movement of Lu’an coal district，the characters of dynamic deformation and static deformation of thick loose strata with fully mechanized top coal caving were analyzed，prediction parameters of ground surface movement and deformation parameters of probability integral method were analyzed by regression analysis method，then function relation between ground movement parameters and geological situation of mining was put forward，the results referring for ‘three under’ mining with thick loose strata in extra thick coal seam and ground surface movement predicting.

Key words：thick loose strata；fully mechanized top coal caving；rock movement parameter；dynamic rock movement parameter；regression analysis

[收稿日期]2015-08-19

[基金项目]国家自然科学基金(51474129)

[作者简介]郑志刚(1974-)，男，河北唐山人，研究员，主要从事开采沉陷与“三下”采煤方面的研究工作。

[中图分类号]TD325.2

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)02-0022-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.02.007

[引用格式]郑志刚，滕永海.厚松散层综放开采条件下地表岩移参数分析[J].煤矿开采，2016，21(2)：22-25.