厚松散层大采高开采地表移动变形规律研究

余学义，穆 驰，3，张冬冬，3

（1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安710054；2.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安 710054；3.陕西省土地工程建设集团，陕西 西安 710054）

在我国能源体系结构中，煤炭依然处于主导地位，“十三五”时期是我国全面建设小康社会的决胜阶段，同时也是煤炭工业加快转型发展的重要时期，加快煤炭供给侧改革，是实现由大到强历史跨越的重要转变。由于矿产资源开采，工作面上覆岩层的围岩应力进行重新分布。在这个过程中，岩层的不连续破坏引起地表的移动变形，对地表的铁路、公路及其他建（构）筑物造成破坏，同时引起地裂缝、滑坡等地质灾害。特别是在我国华东、华中、西北等矿区的厚松散层，当工作面煤层采出后，地表移动变形具有一定特殊规律，主要表现为地表下沉系数较大，基岩移动角比常规值偏小，地表水平移动范围大于下沉范围等特点[1-5]。介绍了上湾矿12401工作面在厚松散层大采高工程地质条件下地表移动变形规律研究。

1 矿区概况及观测站概况

1.1 工作面开采条件

上湾矿12401 工作面地表平均标高为1 190 m，上覆松散层平均厚度62 m，为厚松散层，开采煤层为宜君组下岩段中部12 煤，煤质沥青光泽，呈条带结构，工作面煤层平均倾角4°，为近水平煤层；随着工作面持续推进，局部煤层厚度变化不均；煤层直接顶为含云母碎屑的粉砂岩，呈灰白色，岩层水平节理较为明显，厚度 7.5～9.3 m，平均厚度 8.4 m，直接顶上部为泥质胶结的细粒砂岩，岩层结构稳定；底板为深灰色的砂质泥岩，且层理发育不明显，厚度3.6～6.2 m，平均厚度 4.9 m。12401 工作面设计走向长度约 1 060 m，12 煤层厚度 4.2～9.6 m，平均厚度6.9 m，煤层坚固系数 0.6，采用综采放顶煤和一次采全高适应煤层厚度变化，煤层综合柱状图如图1。

图1 工作面煤层综合柱状图Fig.1 Comprehensive histogram of coal seam in working face

1.2 观测站布设

地表移动观测站布设形式分为网状布设和剖面布设，工作面移动观测站概况见表1。结合上湾矿12401 工作面实际情况，观测站选用剖面布设，倾向观测线B 平行于工作面布设，距离12401 工作面213.1 m，走向观测线A 靠近12401 工作面上山边界，垂直于倾向观测线B 进行布设，距离运输平巷102.7 m，在走向观测线南段共布置3 个控制点，点号分别为KA1～KA3，沿着走向观测线布设35 个观测点，点号分别为ZA1～ZA35。垂直于走向观测线布设1 条倾向观测线，倾向观测线B 全长1 180 m，距离停采线233 m，在倾向观测线两侧共布设5 个控制点，点号分别为KB1～KB5，沿着倾向观测线布设55 个观测点，点号为ZB1～ZB55[6-8]。测点布设间距为5 m，观测点位置布设平面图如图2。

表1 工作面地表移动观测站概况Table 1 Overview of surface mobile observation stations

图2 地表观测站平面布设图Fig.2 Plane layout of surface observation station

2 观测结果分析

2018—2019 年对上湾矿12401 工作面进行了岩移观测，但由于该工作面采动影响较大，条件比较复杂。因此，此次站设计参数仍然参照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设及压煤开采规程》选取[9-13]。12401 工作面上覆岩层的普氏系数绝大多数小于2，单向抗压强度主要在2～20 MPa 之间，根据“三下采煤规程”相关规定将其定为软弱岩层[14]，同时考虑到12401 工作面采厚较大，工作面推进速度较快，根据对观测数据整理分析，用解析法分别计算走向和倾向的综合边界角、基岩移动角。

2.1 走向和倾向的综合边界角

12401 工作面的走向和倾向观测线条件方程：

式（1）简化为 ha+Hb=L。

式中：L 为工作面到采空区边界的水平距离，m；h 为松散层厚度，m；H 为基岩厚度，m；λ 为松散层边界角；δ 为基岩边界角；a、b 为待求系数，a=cotλ，b=cotδ。

将相关数据代入条件方程得：

解得 λ=36°，δ=62°。

将基岩和松散层的厚度进行叠加，运用反三角函数，计算在走向的综合边界角α，取平均采深为152 m，即得到取 α=57°；倾向的综合边界角β，取平均采深为 135 m，即得到β=arccot取 β=58°，取，由于开采煤层属于近水平煤层，工作面地表起伏波动较小，通过综合分析取走向和倾向的综合边界角为 57.5° 。

2.2 基岩移动角

将松散层边界角λ=36°，松散层平均厚度h= 62 m，基岩厚度H=35 m,代入式（2）求基岩移动角η：

式中：L 为当地表倾斜i= 4 mm/m，水平移动u=5 mm/m，水平变形=3 mm/m，曲率 K= 0.6×10-3时，边界点到工作面的距离，m。

将数据代入方程求解得基岩移动角η=54°。同时，走向和倾向的综合移动角采用地表移动变形参数进行求取。由于地表综合移动角受基岩边界角影响，计算得地表走向和倾向综合移动角为 45°、46°，开采煤层为近水平煤层，因此观测线无论在走向和倾向上，综合移动角均采用α0=β0=45.5°。通过分析可知：地裂缝对地表移动变形影响较大，沿着走向观测线，由于受地表移动变形影响，导致该方向移动角值变化较大，而在倾向方向，地表移动变形波动起伏不明显，且工作面上覆基岩和松散层厚度较大，移动角值在倾向上变化较小。上湾矿12401 工作面地表移动角值参数统计表见表2。

3 地表移动变形特征分析

3.1 地表下沉特征分析

将观测数据进行处理，选取12401 工作面的倾向观测线 B 从 2018 年 5 月到 2019 年 3 月的 6 次观测数据，对应不同的观测时期，绘制的地表下沉曲线，如图3。

表2 岩层移动角值参数统计表Table 2 Statistical table of rock formation angle parameters

图3 地表下沉观测线Fig.3 Ground subsidence line

从12401 工作面的地表下沉曲线可以得出：随着工作面继续向前推进，各个观测点下沉量越来越大，地表下沉范围也逐渐增大。由图3 可知，2018 年5 月的地表下沉量相对较小，地表移动变形不明显，2018 年7 月，地表有明显的移动变形，变形曲线呈现碗形，最大下沉量为269 mm，从2018 年9 月往后，地表移动变形剧烈，下沉速度加快，下沉量增大且地表下沉范围不断扩大，地表最大下沉值 558 mm。从2018 年11 月以后的3 次观测中，地表下沉速率减小，地表移动变形放缓，下沉量趋于稳定，地表下沉进入衰退期，最大下沉量为1 152 mm。

分析认为，在工作面继续向前推进过程中，工作面上覆岩层的整体性和稳定性受到破坏，直接顶和基本顶相继垮落，岩层破坏带来的扰动波及至地表，导致地表产生弯曲下沉，随着开采面继续扩大，引起地表下沉量增大，由于上覆松散层的土体厚度较大，几乎没有承载能力，因此从2018 年7 月起，地表下沉速度加快，下沉速率达 58%；虽然从2018 年11月下沉速度降低，但是地表下沉量仍持续增加。同时由地表下沉曲线可以看出，当工作面未达到充分采动情况下，地表的实测下沉量为 981 mm，下沉系数达1.06，因此在厚松散层地质条件下，地表移动变形特征表现为下沉速度快、下沉速率大、采动影响剧烈的现象。

3.2 地表下沉速度分析

根据倾向地表下沉数据，绘制的地表下沉速度曲线如图4。从图4 可以看出，2018 年5 月到2018年7 月地表下沉缓慢，下沉速度变化较小，在正常采高13 m 条件下，地表下沉速度平均在8 mm/d 左右，最大下沉速度达16 mm/d；2018 年9 月工作面回采结束之后，地表下沉速度减缓，2019 年1 月之后地表逐渐开始稳定，到2019 年3 月地表基本稳定。随着工作面进行开采，将数据进行处理，从图中可以看出2018 年5 月以前，地表处于启动阶段，下沉速度不到2 mm/d；前5 个月处于活跃期，特别是前3 个月地表下沉在 5 mm/d 以上；2018 年 11 月开始进入衰减期，此后便逐渐稳定，至2019 年3 月已经基本稳定。

图4 地表下沉速度观测线Fig.4 Surface subsidence velocity observation line

根据国内大量学者对最大下沉速度的研究，可以得出如下结论：最大下沉速度与采场上覆岩层岩性、工作面推进速度、采厚比、采动程度有关。其中，推进速度与覆岩岩性成正比，下沉速度与岩层厚度成反比[15]。在此基础上，根据实际生产中工作面的推进速度来计算出厚松散层下地表最大下沉速度系数，以此减小在厚松散层工程地质条件下地表移动变形。最大下沉速度的计算一般采用vmax经验公式：

式中：K 为最大下沉系数；Wmax为地表最大下沉量，mm；v 为工作面推进平均速度，m/d；H0为平均开采深度，m。

将12401 工作面推进平均速度v=3.24 m/d，代入上式计算得到厚松散层地表最大下沉系数为1.56，比非厚松散层下沉系数偏高，结果表明厚松散层作为基岩的压密介质覆盖于地表，对基岩起荷载作用，当煤层开采引起基岩破坏，松散层压密基岩的离层裂隙和垮落空隙，加剧地表变形程度，加快地表下沉速度。

4 地表移动数值模拟

4.1 FLAC3D数值模型

针对神东矿区上湾矿12401 工作面，结合已收集到的地质资料，运用FLAC3D对地表下沉及水平移动进行数值模拟，根据上湾矿实际开采面积及工作面开采高度，此次模拟，x 方向为1 500 m，其中煤层从左边90 m 开挖至1 150 m，共开挖1 060 m，与工作面实际长度一致，y 方向为10 m，建立的模型如图5。

图5 FLAC3D 数值模拟初始模型Fig.5 FLAC3D numerical simulation initial model

查阅相关文献，数值模拟计算结果是否更接近实际，取决于计算岩石力学参数选取的准确性。根据上湾煤矿地质综合柱状图及岩石物理力学实验资料，对该矿井的岩石力学参数进行计算，本模型岩层采用的岩性参数见表3。

4.2 数值模拟结果分析

通过FLAC3D数值模拟计算，地表最大下沉值达到860 mm，理论预计和实测地表最大下沉值分别为857、871 mm，实测结果与模拟结果基本相符,地表下沉云图如图6。从图6 可以得出，工作面顶板存在1层20 m 厚的细粒砂岩，该岩层作为覆岩中的关键层，可以有效抑制裂缝向上发育，减小因采动影响引起的地表移动变形。

水平移动云图如图7。从图7 可以看出，地表的最大水平移动是360 mm。理论预计和实测结果分别为361、362 mm，实测结果与模拟结果基本相符。由于工作面采动影响，拉应力作用于上覆岩层产生裂缝，同时地表松散层较厚，阻碍了地表移动变形水平传播，因此，当倾向和走向的综合边界角为60°左右，地表移动范围变化较小。

表3 岩石力学参数统计表Table 3 Statistical table of rock mechanics parameters

图6 下沉云图Fig.6 Sinking clouds

图7 水平移动云图Fig.7 Horizontal clouds

5 结 论

1）通过建立地表移动观测站，对工作面的实测数据进行分析，计算出上湾矿12401 工作面的岩移参数。松散层边界角为λ=36°，基岩移动角为η=54°，走向综合移动角为α=57°，倾向综合移动角为β=58°，计算结果表明，地表移动变形对走向的移动角值影响较大，由于上覆厚松散层作用，倾向移动角值变化不大。

2）随着工作面开采范围扩大，岩层的整体性收到破坏，地表有明显的移动变形，通过分析，地表下沉量与覆岩岩性成正比，下沉速度与岩层厚度成反比，最大下沉量达1 152 mm，最大下沉速度达16 mm/d；同时受厚松散层地质条件影响，基岩的离层裂隙被压密，岩层结构被破坏，造成地表下沉量增大，下沉速度加快。

3）工作面移动变形的实际结果和数值模拟结果基本相符。细粒砂岩作为工作面顶板的关键层，可以有效抑制裂缝发育，降低地表下沉量；在厚松散层工程地质条件下，工作面走向和倾向的综合边界角为60°左右时，可减少地表移动变形范围。