赵固矿区厚松散层下开采地表移动特征实测研究

许国胜，许胜军，李德海，李回贵

(1.贵州工程应用技术学院矿业工程学院，贵州 毕节 551700；2.河南理工大学矿业研究院，河南 焦作 454000)

松散层又称冲积层，是指由河流流水搬运过来的碎岩屑沉积，在河床较平缓地带形成的沉积物，由于松散层的土体呈松散状态，也称松散介质[1-2]。松散层土体受外力作用后具有部分流动性，几乎不具有抗拉伸能力，抗变形能力较差[3]。在我国的华东地区、华中地区、华北地区等地区地层上部覆盖有厚的松散层，该区域进行煤炭开采面临着诸多问题。开采沉陷是一个十分复杂的物理、力学变化过程，也是岩层自下而上地产生移动和破坏的过程，这一过程又受到多种因素的影响[4-5]。由于煤层上部覆盖有较厚松散层土体，使得该地区受到采动后，地表沉陷显现出特殊的规律[6-10]。为矿区地表建筑物保护、村庄搬迁以及水利设施保护提供参考依据，在赵固矿区两个矿井(赵固一矿和赵固二矿)的首采面布置了地表移动观测站，在工作面开采前后及过程中进行观测工作，对于研究地表移动变形提供了可靠的数据。本文通过对实测地表沉陷数据进行分析，求取地表沉陷概率积分法参数，对地表下沉盆地特征以及地表移动角量参数进行研究。研究成果不仅对现场地表构筑物的保护及治理提供技术依据，而且丰富了厚松散层条件下地表移动变形规律的理论研究。

1 赵固矿区地表移动观测站

1.1 赵固一矿11011工作面及地表观测站

赵固一矿11011工作面为该矿首采工作面，工作面平均采深573 m，工作面推进长度1 400 m，倾斜长度180 m，平均采高3 m，倾角2°～6°，该工作面采煤方法为综采，全部陷落法管理顶板，平均推进速度3.6 m/d。根据工作面范围内钻孔资料分析，11011工作面区域上覆地层第四系松散层层厚520 m，基岩岩厚约53 m。

在工作面上方地表布置了3条观测线，由于部分观测线观测点后期遭到损坏，实际观测工作中主要采用倾向观测线55个观测点观测数据，地表观测线与井下工作面的相对位置关系见图1。

图1 赵固一矿11011工作面地面观测站布置图Fig.1 Layout of monitoring stations over panel 11011 in Zhaogu No.1 mine

1.2 赵固二矿11011工作面及地表观测站

赵固二矿11011工作面为该矿首采工作面，该工作面走向长度为2 266.9 m，倾向长度180 m，煤层平均厚度为6.16 m，倾角为5.5°，采用分层开采，开采厚度为3.5 m；根据该工作面范围内钻孔资料分析，松散层的厚度为611.8 m，基岩岩厚为78.2 m。

工作面地表有村庄及其他构筑物，因此根据地表的实际情况将观测线布置成折线形状。走向观测线Ⅰ布置70个观测点，倾向观测线Ⅱ共布置68个观测点。 地表移动观测站与工作面的相对位置见图2。

图2 赵固二矿11011工作面地表观测站布置平面图Fig.2 Layout of monitoring stations over panel 11011 in Zhaogu No.2 mine

2 厚松散层下开采概率积分法参数求取

概率积分法作为影响函数法中典型的预计方法，是目前我国较为成熟、应用最为广泛的地表移动变形预计方法之一[11]。因此，本文利用Origin数据处理软件，将观测站实测代入概率积分预计公式进行拟合计算，得出的走向和倾向方向地表移动变形拟合曲线[12-13]。

2.1 赵固一矿11011工作面地表观测数据拟合

根据赵固一矿11011工作面地质和开采资料，判断该工作面在走向方向上属于超充分采动，而在倾向方向上属于非充分采动。通过Origin8.5软件将地表观测站倾向观测线55个观测点的实测数据代入有限开采倾向主断面地表移动变形预计公式，见式(1)，进行曲线拟合，得到倾向断面概率积分法预计参数，见表1，拟合曲线如图3所示。由于地表部分观测点后期遭到破坏，造成图3中右侧观测值与拟合曲线相差较大。

图3 赵固一矿11011工作面倾向主断面拟合曲线Fig.3 Fitting curve on the dip main section of panel 11011 in Zhaogu No.1 mine

表1 赵固一矿地表概率积分法参数Table 1 Parameters of surface probability integral method in Zhaogu No.1 mine

(1)

式中：w(y)为倾向主断面地表下沉值，m；w0为该地质条件下地表最大下沉值，m；r1、r2为倾向主断面上山、下山主要影响半径，m；s1、s2为倾向主断面上山、下山拐点偏移距，m。

2.2 赵固二矿11011工作面地表观测数据拟合

根据赵固二矿11011工作面地质资料和开采资料，判断该工作面在走向方向上属于超充分采动，而在倾向方向上属于非充分采动。通过Origin8.5软件将地表观测站倾向观测线48个观测点的实测数据代入式(1)，进行曲线拟合，得到倾向断面概率积分法预计参数，见表2，拟合曲线见图4。

图4 赵固二矿11011工作面倾向主断面拟合曲线Fig.4 Fitting curve on the dip main section of panel 11011 in Zhaogu No.2 mine

表2 赵固二矿11011工作面倾向概论积分法参数Table 2 Parameters of probability integral method on the dip of panel 11011 in Zhaogu No.2 mine

对于该工作面上覆下沉盆地走向主断面的下沉数据，利用Origin8.5软件将地表走向观测线的34个观测点的实测数据代入式(2)，进行数据拟合，得到走向概率积分法预计参数，见表3，拟合曲线见图5。

图5 赵固二矿11011工作面走向主断面拟合曲线Fig.5 Fitting curve on the strike main section of panel 11011 in Zhaogu No.2 mine

表3 赵固二矿11011工作面走向概论积分法参数Table 3 Parameters of probability integral method on the strike of panel 11011 in Zhaogu No.2 mine

(2)

式中：w(x)为走向主断面地表下沉值，m；Wy为地表倾向主断面最大下沉值，m；r为走向主断面主要影响半径，m；s0为走向主断面拐点偏移距，m。

结合地表走向和倾向观测线特征点和曲线拟合求取预计参数的方法，确定出赵固二矿11011工作面地表概率积分预计参数，见表4。

表4 赵固二矿地表概论积分法参数Table 4 Parameters of probability integral method in Zhaogu No.2 mine

3 地表概论积分法预计参数分析

通过对比发现该地区概论积分法预计参数与一般地质采矿条件下的参数有很大的差别，体现了厚松散层下开采地表移动变形所特有的规律。

1) 下沉系数较大。文献资料表明，部分矿区在松散层下开采下沉系数为0.85～1.20，根据赵固一矿和赵固二矿地表观测数据得到的下沉系数分别为0.93和0.91，分析两个矿煤层上部基岩与第三系松散层、第四系松散层的组成可知：赵固一矿煤层上部基岩厚度为53 m，第三系松散层、第四系松散层厚度为520 m，松散层厚度占比为90.75%；赵固二矿煤层上部基岩厚度为78.2 m，第三系松散层、第四系松散层厚度为611.8 m，松散层厚度占比为88.67%。因此，可以判断上覆岩中松散层厚度占比越大，其下沉系数就越大。

2) 主要影响角正切值偏小。在概率积分法中tanβ是指工作面平均开采深度与主要影响半径的比值，反映了地表移动和变形范围，主要取决于覆岩岩性。由于松散层具有流变特性[13-14]，增大了地表移动范围大，造成了tanβ值随覆岩中松散层厚度占比的增大反而减小。

3) 拐点偏移距异常。拐点偏移距的大小主要与采空区顶板岩性有关，顶板越坚硬，岩层移动后形成的悬臂效应就越强，拐点偏移距就越大，反之则越小。该地区松散层厚度占上覆岩土层的比重较大，松散层土体强度较低，一方面顶板悬臂效应大大减小；另一方面，采动作用下松散层含水层失水孔隙水压力降低，在采动压力作用下，应力拱轴线周围松散层土体，有效应力增加，产生土体固结压缩变形，增加了地表移动盆地在开采边界处的下沉，引起拐点偏移距减小或者为负值。

4) 地表下沉盆地边缘收敛过慢。造成拐点偏移距减小或者为负值，而且厚松散层覆盖地区地表下沉盆地边缘收敛过慢，会出现概率积分法函数在下沉盆地中间区域拟合较好、下沉盆地边缘拟合较差的现象。具体见图6。

图6 下沉盆地边缘曲线拟合误差示意图Fig.6 Curve fitting error diagram of subsidence basin edge

由于较厚松散层的存在，导致地表移动盆地形态边缘部分收敛缓慢的现象，主要是因为传统的概率积分预计方法是基于随机介质理论推导出来的，没有考虑不同岩土体的沉陷特性。因此，鉴于基岩和厚松散层沉陷特性的不同，后期可以考虑将上覆岩层分为基岩和松散层两部分来考虑，从而实现厚松散地区地表移动变形的准确预计。

4 地表移动角量参数

地表移动角量参数是描述地表下沉盆地与采空区相对位置、影响范围大小及特征的参数。角量参数主要与工作面地质条件(煤层埋深、煤层倾角、覆岩结构等因素)和采矿条件(工作面采动程度、开采高度等因素)相关。由于该地区第三系、第四系松散层厚度较大，松散层移动角取一般情况下的45°显得不准确，因此，在求取边界角和移动角时，应考虑综合边界角和移动角。由于赵固一矿和赵固二矿首采面煤层倾角较小，一般为5°左右，属于近水平煤层，本次对于角量参数主要以走向方向角量参数为主。依据上述数据拟合概论积分法参数进行计算，分别得到赵固一矿和赵固二矿地表移动各角量参数，见表5。

表5 赵固矿区走向地表移动角量参数Table 5 surface movement angle parameters on the strike of Zhaogu mine area

由表5可知，赵固一矿地表移动各角量参数(移动角、边界角、充分采动角以及最大下沉角)均小于赵固二矿参数，分析认为主要是前者覆岩中松散层厚度占比较大的原因造成的。

5 结 论

1) 通过在赵固矿区地表建立移动观测站，对厚松散层下开采引起的动态地表移动特征进行了现场实测，通过曲线拟合方法，得到了该矿区地表移动概论积分法参数。

2) 通过概论积分法参数分析研究了该地质采矿条件下的动态地表移动特征。研究表明：松散层对地表沉陷规律起着非常重要的作用，覆岩中松散层厚度占比越大，地表下沉系数越大，而主要影响角tanβ反而越小。在采动压力作用下，应力拱轴线周围松散层土体，有效应力增加，土体固结压缩变形，使得拐点偏移距减小或者为负值，地表下沉盆地边缘收敛过慢。

3) 根据地表观测站实测以及概论积分法函数，得到了赵固一矿和赵固二矿的地表移动参数。 同时表明赵固一矿覆岩中松散层厚度占比较大，引起赵固一矿地表移动各角量参数(移动角、边界角、充分采动角以及最大下沉角)均小于赵固二矿参数。