松散层浅埋煤层地表移动变形特征

贺国伟

摘要：以薛庙滩某工作面地表观测站实测数据为例，分析了松散层浅埋煤层地表移动变形特征，结果表明：地表移动变形较为剧烈，下沉速度较大，最大值为241mm/d，最大水平变形值为38mm/m，最大倾斜值为76.5mm/m；影响范围较大，边界角为51°，移动角为77°，裂缝角为86°。

关键词：松散层；浅埋煤层；移动变形

1.概述

松散层浅埋煤层地表移动变形特征较一般开采工作面更为复杂[1]，本文以薛庙滩某工作面地表观测站实测数据为例，从下沉速度、水平变形和影响范围分析了地表移动变形特征。该工作面地处毛乌素沙漠与陕北黄土高原接壤地带，区域地表以沙漠滩地为主，地形较平缓；东部、南部以黄土梁峁为主，地形起伏变化较大。地势总体东高西低，最高点在303盘区东南边界附近的梁峁处为1290.3m，最低点在303盘区西北角为1174.9m，海拔标高一般1190m～1210m。区内无水系及地表水体。该工作面的开拓方式为长壁式全面垮落法管理顶板，开采后顶板一般都要发生垮落和开裂性破坏，并在岩层内部形成“三带”。煤层直接顶板多为粉砂岩、细砂岩，厚约10m～20m，基本顶为延安组第四段底砂岩（真武硐砂岩）细粒长石砂岩，厚度较大；底板岩性以粉砂岩为主，局地段为泥岩，厚约1.00m～2.00m，其下伏为厚层状细粒长石砂岩，顶底板稳固性较好。开采过程一般不产生底鼓现象。

长1078m，宽241m，在走向已达到超充分采动，倾向上未达到充分采动，煤层埋深为175m，煤层平均开采厚度为5.3m，松散层厚度为40m；沿工作面走向和倾向主断面布设了两条观测线，控制点和监测点共63个，累计观测17次，拥有丰富的第一手资料。

2.地表移动变形

2.1下沉速度

下沉速度是反应地表沉陷变形的一个重要指标值，是指单位时间内地表下沉量，即相邻两次的下沉量比其时间间隔[2]。根据走向主断面和倾向主断面的观测数据所绘制的下沉速度曲线见图2.1和图2.2。

由图2.1可知工作面推进到110m左右时，下沉速度为14.13mm/d，这时地表移动变形由启动阶段进入活跃阶段，随着工作面不断推进，下沉速度逐渐增大，反映出地表沉陷变形也越来越剧烈；当工作面推进到167m，地表下沉速度达到最大值，为241mm/d，地表沉陷变形活动最为剧烈；随工作面继续推进，下沉速度逐渐减小，由此可见241mm/d下沉速度是该工作面在此开采条件下的最大值，影响下沉速度的条件有工作面倾向和走向是否达到充分采动、开采速度、采高、采深和上覆岩层特性[3-4]。对某一个工作面确定开采后，这些条件也就确定了，因此最大下沉速度值也是确定的。他们之间在某种程度上存在一定的非线性关系，其中一些因素无法准确量化，并且非线性关系非常复杂，很难构建出一个精确的数学模型表达。图2.2是倾向方向下沉速度变化情况，倾向观测线只布设了一条，工作面推进速度较快，地下开采活动对其影响持续时间很短，地表活跃阶段持续时间也较短，观测频率并未提高，导致采集的数据在一定程度上不能准确反应倾向主断面的地表移动变形情况，只能研究其他反应倾向沉陷变形的指标值。

2.2水平移动变形

水平变形是指点间单位长度的变化，正值表示地面处于拉伸变形，负值表示地面处于压缩变形[5]。根据走向和倾向观测数据绘制了地表水平移动变形曲线，见图2.3和2.4。

在开切眼处背向采空区一侧的地表移动变形较大，且是正变形，即拉伸变形。在开切眼处偏向采空区一侧的地表变形基本为负变形，即压缩变形。在开采边界两侧一定范围内的正负变形值呈现对称分布，这符合一般地表移动变形特征。工作面从128m推进到213m过程中，地表水平移动变形最为剧烈，变形速度快、持续时间短，当工作面推进到348m后，走向上地表拉伸变形趋于稳定，最终走向最大水平移动变形值为38mm/m。倾向水平移动变形规律较明显，在两个开采边界背向采空区一侧的水平移动变形值较大，且为正值；而采空区一侧的水平移动变形值也较大，为负值。在工作面从348m推进到608m过程中，倾向水平移动变形较为剧烈，也呈现变形速度快，持续时间短。在松散层浅埋条件下开采，地表移动变形分布规律基本符合一般开采工作面分布特点，而地表移动变形速度快，持续时间短和变形量较大是其独有特征。

倾向值变化的规律图如图2.5和图2.6所示。

根据走向线的倾向变化规律可知，由于Q10和Q21都位于采空区的边界处，因此在Q10和Q21处偏向于采空区一侧的倾向值必然较大，如Q11-Q10的倾向值是-20.57mm/ m，Q13-Q12的倾向值为-31.67mm/m，Q20-Q19是25.43mm/ m，Q19-Q18的值为43.13mm/m。

由于走向线上达到充分采动，倾向线尚未达到超充分采动，所以倾向上的地表倾斜值略小于走向。該工作面是近水平煤层开采，因此倾向上的地表倾斜总体表现为两侧基本对称的特征。

2.3影响范围

地表移动变形范围主要通过边界角和移动角反应。地表移动变形的开始标志为下沉10mm，由于存在观测误差和观测点埋设处土壤季节性变化，下沉值为零的点实际上不能准确确定，只能通过内插求取近似值。边界角可由下列公式确定：

松散层厚度40m，松散层的边界角一般按规范取45°，由此可计算出基岩的边界角为53°。因此走向综合边界角最终为51°，如图2.7。

为获取倾向边界角的准确值，按照边界角确定条件，在倾向边界上分别选取了点Q2和Q27，根据这两点至工作面边界的距离值及采深带入公式2，计算出倾向边界角，最后取其平均值，见表2.1。

松散层的边界角一般按规范取45°，由此可计算出基岩的边界角为56.3°。因此取倾向综合边界角为53°，具体关系如图2.8。

地表的移动和变形会引起地面建筑物的破坏，将刚刚对地表建筑物产生影响的变形值称为临界变形值。根据临界变形指标值，分别在走向和倾向观测线上选取了相应特征点，具体见表2.2，根据移动角计算公式计算出对应移动角值，最终取走向综合移动角为77°，倾向综合移动角平均值为77°。如果按规范取松散层移动角为45°，可得基岩移动角为79°。

受小采高的影响，上覆岩层移动变形很快就传递到地表，而地表松散层助推了该运动的进一步扩散和传播，同时走向上已达到充分采动，使得移动变形趋于最大化，走向综合边界角偏小，充分说明了这一点。倾向上未达到充分采动，影响范围相对较小。

3.总结

地表稳定后，地表最大下沉速度为241mm/d，最大水平变形值为38mm/m，最大倾斜值为76.5mm/m，边界角为51°，移动角为77°，裂缝角为86°。这些值较一般开采工作面偏大，因此在松散层浅埋煤层条件下开采，地表移动变形较为剧烈，对地表破坏程度较大，影响范围较广。

参考文献：

[1]胡青峰，刘文锴，崔希民，李春意，王新静.煤柱群下重复开采覆岩与地表沉陷数值模拟实验[J].煤矿安全， 2019， 50（11）：43-47.

[2]湯伏全，赵军仪.相邻工作面开采地表动态沉陷规律[J].金属矿山， 2019（10）：8-13.

[3]李春意，马爱阳，丁来中，柴华彬，张兵，王石岩.厚黄土层下采动地表沉陷规律研究[J].金属矿山， 2019（10）：14-22.

[4]侯建斌.煤炭开采沉陷区房屋裂缝特征与成因分析[J].山西煤炭， 2019， 39（02）：23-26.

[5]李海欣，雷少刚，申艳琴.煤矿开采沉陷地裂缝对植被覆盖的影响[J].生态与农村环境学报， 2016， 32（02）：195-199.