厚松散层黄土丘陵地貌开采沉陷规律实测研究

温建生

(山西汾西矿业(集团)有限责任公司柳湾煤矿，山西 吕梁 032300)

煤炭开采必然伴随着围岩及地表的移动变形，进而影响到地面建构筑物的使用，给居民生活和生态环境造成了极大的困扰，而厚松散层黄土丘陵地貌下的沉陷规律更为复杂，各矿区积极建立岩移观测站研究开采沉陷的地表移动变化规律[1-5]。在积累了大量实测资料的基础上，经过专家学者的多年探索，目前对沉陷的一般规律已经有了较为深刻的认识。郭文兵[6]等基于实测资料总结了高强度开采条件下地表移动变形规律及其研究进展，提出了采动损害防控的新思路。但由于厚松散层的特殊性，近年来相关学者对此也进行了研究[7-11]。徐乃忠[12]等总结了厚松散层条件下的沉陷规律及地表移动参数与地质采矿条件的关系。松散层与基岩性质差别较大，煤层开采造成的地表移动也具有不同的特征，黄土丘陵区地形地貌及黄土强度高、压缩性低的力学特性加剧了地表移动的特殊变化[13-15]，使得地表移动变形具有特殊性和复杂性。

本文以柳湾矿61115工作面实测资料为基础，总结厚松散层黄土丘陵地貌开采条件下地表移动变形的动态及静态规律，为类似地质条件下，矿区合理留设保护煤柱和灾害防治工作的开展提供依据。

1 工作面基本情况

1.1 工作面概况

柳湾煤矿61115工作面地表松散层较厚，主要由黄色、土黄色、浅棕色、浅红色亚砂土、亚黏土、钙质结核、砾石和冲积层组成。根据周边钻孔揭示松散层厚度达52.4 m，属于厚松散层。工作面地处黄土高原低山丘陵区，梁峁绵延，溯源侵蚀剧烈。工作面设计开采11#煤层，工作面走向长1 376 m，倾向长201 m。本区域11#煤埋藏深度平均208 m，煤厚约5.43 m，煤层结构复杂，含四层以上夹矸，夹矸厚0.02～0.20 m。11#煤顶板为1.57 m厚的黑灰色页岩，性脆，抗压强度389 kg/cm2，底板为5.4 m厚的深灰色泥岩，含铝质，遇水变软膨胀，抗压强度147 kg/cm2。煤层倾角0°～6°，平均3°左右，属近水平稳定可采煤层，开采方法为长壁式后退综采法。

1.2 观测站概况

柳湾煤矿61115工作面为矩形，根据地形布设半条走向观测线(A线)和两条倾向观测线(B线、C线)。其中，走向A线总长度为1 090 m，位于工作面中部偏向下山8 m；倾向B线总长度680 m，距离开切眼670 m；倾向C线总长度680 m，距离停采线615 m，工作面实际布点情况如表1和图1(控制点未标出)所示。

61115工作面回采前完成了点位放样、埋石等前期工作，自2017年10月28日至2019年9月16日，对地表移动观测站共进行了13次观测，其中包括全面观测、巡视测量、日常观测等工作，取得了较好的观测效果。

表1 观测线布点明细表Table 1 Observation lines

图1 观测点布设情况Fig.1 Layout of observation points

2 观测成果分析

2.1 动态规律研究

1)超前影响分析。当工作面推进到一定距离时地表开始下沉，工作面前方的地表受到开采扰动从而产生超前影响。通过处理实测数据，获得了第2～6期的超前影响距和超前影响角，统计结果见表2和图2。

表2 开采过程中各期超前影响Table 2 Advancing influence of each stage in the mining process

图2 超前影响与推进距离的关系Fig.2 Relationship between advancing influence and driving distance

通过分析可以发现，随着工作面不断推进，达到启动距后，超前影响距从56 m增加到147 m，超前影响角从75.5°减小到55.9°。由于未能监测到6期之后的超前影响，因此可知开采初中期超前影响距有增大的趋势，超前影响角在减小。结合地质条件分析，在厚松散层情况下，基岩上覆载荷较大，受采动影响难以形成平衡拱效应，在工作面不断推进的过程中，基岩发生周期性破断，且破坏程度有所扩大，导致超前影响距的增大及超前影响角的减小。

2)下沉曲线分析。如图3所示，观测初期，观测点已经出现下沉，随着工作面的推进，开采面逐渐形成小的移动盆地；继续推进后，移动盆地相继变大，最大下沉点不断向前移动，呈现出离采空区中心越近下沉量越大的规律，实测曲线整体形态符合开采下沉规律，采区中心部分下沉点的下沉量达到6.8 m，超过平均煤厚5.43 m。除煤厚不均匀的影响外，与地表厚松散层的特点也有关系。一方面，厚松散层在受到采动影响后易发生水分流失，在自重作用下发生固结压缩；另一方面，受山区丘陵地貌影响，地表黄土强度较弱易发生滑移，这两种因素共同导致了部分区域出现下沉量较大的现象。

3)下沉速度曲线分析。从图3中可以看出，地表下沉几乎没有经历初始期，活跃期和衰退期占到地表移动总时间的95%。地表下沉主要集中在活跃期，活跃期占地表移动总时间的33%，下沉量占总下沉量的97%，最大下沉速度达50.7 mm/d，导致下沉速度曲线在活跃期变化较快，呈尖锐三角状，而在衰退期变化缓慢，呈现平稳状。出现这种曲线形态的原因是：松散层较厚，基岩较薄，难以形成支撑结构，导致岩层破断后迅速传至地表，造成地表活动剧烈，地表移动几乎不经历初始期而是直接进入活跃期，且活跃期下沉量较大，后续下沉量较小。

图3 下沉速度曲线Fig.3 Subsidence velocity curve

2.2 静态规律研究

1)基岩移动角及综合边界角。61115工作面走向长1 376 m，走向属于充分采动，倾向长201 m，倾向属于非充分采动，整体为非充分采动。处理地表稳定后，最后一期实测数据得到走向线和倾向线的基岩移动角及综合边界角见表3所示。

通过表3可以发现，走向线和倾向线的基岩移动角比较大(平均78°)，而对应的综合边界角较小(平均61°)。这种情况造成下沉曲线中间陡峭，边缘变形区平缓且范围较大，表明下沉相对集中但影响范围较大，这些正是厚松散层下开采地表移动所特有的特征。

表3 主断面角量参数Table 3 Angle parameters of major section

2)地表破坏形式。由现场实际观测可以看出，在开采影响范围内，黄土覆盖地表会产生较多的地表裂缝，裂缝发育整体上受工作面及地形的控制，部分近似平行于工作面边界，部分地形沿等高线方向发育。裂缝的形状为楔形，随深度的增大而减小，到一定深度后尖灭。黄土陡崖部位及沟谷边缘多出现小型崩塌及滑坡，在公路上产生较严重的下沉及破坏。如图4所示，上述现象正是厚松散层黄土丘陵地貌开采后地面破坏的典型形式。

(a)裂缝

3 概率积分法参数求取

概率积分法目前发展较为成熟，在我国矿区煤柱设计中有着广泛的应用。概率积分法主要包括5个参数，分别为下沉系数、水平移动系数、主要影响角正切、开采影响传播角和拐点偏移距。以61115工作面走向线和倾向线观测点实测数据为基础，运用最小二乘法进行拟合，并求取参数，结果见表4。

表4 概率积分法参数Table 4 Parameters of probability integration method

从表4的结果中可以发现，厚松散层黄土丘陵地貌概率积分法参数具有如下特点：

1)下沉系数达到了0.91，水平移动系数为0.3，下沉系数和水平移动系数均偏大。这是由于松散层较软，不产生离层，同时伴有失水压实现象导致下沉量偏大，并且在山区丘陵地貌的影响下，松散层发生随地势起伏滑动及滑移现象，导致水平移动系数也偏大。

2)主要影响角正切为2.5也偏大。这是由于主关键层形成的砌体梁在厚松散层作用下难以形成拱结构，导致关键层破断迅速传播至地表，使地面移动变形剧烈，形成漏斗状移动盆地。

4 结论

1)厚松散层黄土丘陵地貌条件下，开采初期及中期的超前影响距随工作面采动程度增大而增大，超前影响角随采动程度增大而减小。

2)厚松散层黄土丘陵地貌条件下地表下沉几乎不经历初始期，衰退期较长但下沉量较小，地表下沉主要集中在活跃期，活跃期下沉量和最大下沉速度都较大。

3)厚松散层黄土丘陵地貌条件下基岩移动角偏大，综合边界角偏小，地表移动盆地范围大，且易出现裂缝及小型崩塌。

4)厚松散层黄土丘陵地貌条件下的概率积分法参数中的下沉系数、水平移动系数、主要影响角正切均偏大。