厚松散层大采深多工作面接续开采地表移动规律研究*

孔素丽，韩永斌，2

(1.中煤科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012；2.中煤科工生态环境科技有限公司，北京 100013)

目前，矿区在开展“三下采煤”工作时，多数矿区地表沉陷预计参数是基于采深小于600 m的浅部开采条件下获得的，随着开采深度的增加，地质条件和采煤方法发生了很大变化，矿井开采地质力学结构与浅部开采相比发生明显的改变，深部开采地表移动特征也呈现出不同于浅部开采时的地表移动和变形特征[1-5]。如仍采用浅部开采时的岩移参数，可能造成留设煤柱范围外的建(构)筑物发生损坏，起不到保护地面建(构)筑物的作用。

为研究该地质条件下的地表移动变形规律，自2012年5月，钱家营矿在十采区7煤层首采2075W工作面上方沿铁路建立地表观测站，至2019年10月，十采区7煤层各工作面回采完毕，获取了大量的地表移动观测实测数据。根据各工作面不同回采时间分别获取了单一煤层开采下和多工作面连续开采时的地表移动岩移参数和角量参数。通过对实测数据的分析和整理，总结了该地质条件下不同工作面采宽时岩层与地表移动变形特征[6-7]。

1 项目概况

1.1 地质采矿条件

钱家营矿十采区主采7煤层，煤层倾角1°～9°，平均为7°；平均开采厚度4.1 m，开采深度703～734 m，主要为砂土卵石和粘土卵石组成，煤层顶板岩性为深灰色粉砂岩,老顶为浅灰色细砂岩,底板岩性为深灰-灰褐色粉砂岩。走向长壁式采煤法,全部垮落法管理顶板。

该区域地表地势平坦，多为农田，煤系地层为第四系冲积层所覆盖，平均厚度为120 m。

钱家营矿于2012年7月开始回采十采区7煤层，规划开采第一个综采工作面为2075W工作面，回采时间为2012年7月～2013年4月，之后向北回采2076W综采工作面，回采时间为2015年7月～2016年5月；2077W综采工作面位于2076W工作面以北，回采时间为2018年9月～2019年10月。各工作面开采技术条件如表1所示。

表1 各工作面开采技术条件

1.2 观测站概况

区域地面平均标高21.2 m，大部分为农田，零星分布树林和养殖厂，钱吕公路、钱吕铁路南北方向横穿工作面，有高压线和沟渠沿铁路方向布设。2012年5月在首采2075W工作面上方沿钱吕铁路建立一条倾向观测线。观测线初始长约3.0 km，共有96个工作测点，平均间距25 m ；观测线两侧延伸方向各设3个控制点，平均间距100 m。后因60～96之间大部分工作测点丢失以及工作面向北规划开采，对观测点进行调整，取1～51号工作测点观测数据为基准进行分析。随着开采规划向北延伸，陆续新建工作测点14个，至2077W工作面回采时，地表移动观测工作测点共65个，观测线长约2.0 km，观测站布置如图1所示。

图1 观测站布置示意图

2 地表观测站数据分析

2.1 地表移动观测站实测数据汇总

观测站自2012年5月建成，2012年7月进行了连接测量和首次全面观测，至2075W首采工作面回采完毕，工作面上方最大下沉644 mm，地表移动变形较小，地表未发现明显的地裂缝，周围建(构)筑物和设施未受到明显的开采影响。至2076W工作面回采完毕，期间共进行了11次水准测量，受单一煤层连续开采的影响，地表移动变形剧烈，铁路路基变形明显，铁路部门对铁路进行了维修加固，对路基重新进行了起坡压实。由于观测站延续时间长、工作面连续开采强度大，地表移动变形破坏较大，部分下沉盆地内观测点遭到破坏或者变形，因此首先对实测数据进行计算、平差，之后进行实测曲线的绘制和拟合，拟合后的累计最大下沉值约为2.0～2.1 m。至2077W工作面和9煤层2096工作面回采完毕，期间共进行了17次水准测量，工作面上方出现了明显的下沉盆地，由于观测站周边大部分为农田，地裂缝不明显，但观测站周边建(构)筑物出现了明显的损坏，如图2所示，铁路线路出现明显的起伏，铁路部门对铁路进行多次维修，并对路基重新进行垫平、压实，至2077W工作面回采结束，地表拟合累计最大下沉值约为2.1～2.2 m。各工作面回采后的实测数据如表2所示。

表2 各工作面回采后的实测岩移参数

图2 地表变形照片

2.2 观测站受工作面开采影响分析

由于地表移动变形剧烈，导致下沉盆地内的部分点位损毁，因此在本次实测数据的基础上拟合后得到各观测时期的下沉曲线图，如图3所示，完整展示了随着多工作面的接续开采，地表移动盆地的形成过程。

为了分析整个十采区地表移动变形特征，以2012年7月首次观测结果为初始值，计算不同工作面回采宽度下地表移动变形情况。2075W首采工作面回采宽度195 m，倾向方向上宽深比为0.29，地表移动变形不大，地表最大下沉值仅为644 mm，体现了极不充分采动的特征；受2076W工作面连续开采的影响，整个十采区开采工作面回采宽度累计增加到400 m，倾向方向上宽深比为0.57，地表移动变形加剧，地表累计沉降值约为2.0～2.1 m；2077W工作面回采完毕后，工作面回采宽度累计600 m，倾向方向上宽深比为0.85，观测地表最大下沉值约为2.1～2.2 m。

2.3 地表移动与变形分布形态分析

根据图3和实测数据，7煤层首采工作面回采结束后，最大下沉点位于31号点，拐点位于工作面开采边界外侧36号点和26号点(即最大下沉值的一半位置处)，偏向煤柱方向；2076W工作面回采后，最大下沉点移至26号点，拐点移至工作面边界外18号点；2077W工作面回采后，由于地表移动变形剧烈，盆地内9～25号点塌陷，最大下沉点和拐点位置无法实测确定，根据曲线拟合的最大下沉点位于16～17号点之间。综合分析各煤层回采结束后，沿盆地主断面的下沉曲线(煤层倾角较小)大致位于采空区正上方，基本以最大下沉点为中心对称分布，下沉曲线拐点向采空区偏移，拐点处下沉值略大于最大下沉值的一半。

图3 观测下沉曲线图

根据缓倾斜煤层浅部开采地表移动变形规律，在非充分采动条件下，地表最大下沉点只有一个，且未达到该地质采矿条件下的最大值。在充分采动条件下，地表最大下沉曲线出现平底，且平底处的下沉值达到了相应地质采矿条件下的最大值。当采空区长度和宽度达到或者超过1.2～1.4H时，地表移动可达到充分采动。十采区多工作面受开采宽度的限制，倾向方向表现为非充分采动下的地表移动形态，即倾向方向上的任意点的下沉值均未达到该地质采矿条件下应有的最大值，具体表现为2075W工作面回采结束后，地表最大下沉值仅644 mm，只占到平均采厚(4 m)的16%；2076W工作面连续开采后，煤层倾向方向累计工作面开采宽度增加，地表移动变形范围扩大，地表最大下沉值继续增加，最大下沉值约占平均采厚的52%；至2077W工作面回采结束，累计地表最大下沉值约占平均采厚的60%，多工作面的叠加开采宽度(590 m)仍小于充分采动条件下所需的最小宽度(1.2H)，地表最大下沉值虽然较之前最大下沉值继续增大，但是最大下沉量和最大下沉速度有所减缓，尚未达到充分采动下地表下沉的最大值。

3 地表移动特征分析

根据理论研究[8-9]，煤层初次采动时，上覆岩层经历冒落、裂缝和弯曲，岩层原始状态遭到破坏，岩层强度减弱。重复开采时，冒落带还没有得到充分压实，经受初次开采破坏的岩体进一步破碎，使得岩层和地表的破坏程度加剧，破坏范围加大，因此多煤层接续开采时，边界角减小5°～10°，移动角减小10°～15°，地表下沉速度增加，移动持续时间缩短，超前影响角减小，滞后角增大。

由于工作面连续向上山方向开采，根据观测数据计算了多工作面接续开采时下山方向综合边界角为51°，根据全面观测数据拟合求取了下山方向综合移动角为73°，比单一煤层采动时地表移动边界角略小，基本符合煤层重复采动下角值的变化趋势。

随着开采深度的逐步增大，地表最大下沉值变化不大，而地表移动范围增大，因此地表各项变形值减小，地表移动变形比较缓慢、均匀，地表最大下沉速度变小，而移动持续时间较长。

根据该采区近十年的实测资料可知，首采2075W工作面回采结束后，地表移动变形不明显，地表未发现明显的地裂缝；随着后期多工作面接续开采，地表开始出现塌陷和地裂缝。和一般开采条件下的下沉曲线相比[10]，钱家营矿十采区7煤层开采剧烈活跃期较短，一般只占整个移动时间的10%～15%，实测下沉曲线下沉值相对集中，综合移动角值较大；而衰退期时间较长，占整个移动时间的80%～85%，综合边界角较小，地表最大下沉速度较小，最大20.9 mm/d，对地面建构(筑)物的破坏程度相对较小。

4 结 论

本文根据实测数据分析总结出厚松散层大采深地质条件下多工作面接续开采地表移动的变形特征：随着工作面的接续开采，实测下沉曲线变形分布相对集中，下沉盆地陡峭，地表移动变形主要集中于活跃期，活跃期较短，一般只占整个移动时间的10%～15%，而下沉量占地表总沉降量的90%以上；衰退期时间较长，占整个移动时间的80%～85%；综合移动角值较大，综合边界角较小。