陕北风积沙区超长工作面地表移动变形特征研究

冯泽伟，浮耀坤，胡振琪，白铭波，石国牟，于秋鸽，李鹏宇，王建文

(1.陕西陕煤陕北矿业公司 韩家湾煤炭有限公司，陕西 榆林 719300；2.煤炭科学研究总院，北京 100013；3.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；4.中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所，北京 100083；5.陕西陕煤陕北矿业公司 柠条塔煤炭有限公司，陕西 榆林 719300)

黄河中游地区煤炭资源丰富[1]，但生态环境极其脆弱，区内广布风沙地貌，地表风沙松散层较厚，流动性强，受采动影响后易产生大量裂隙[2]，加重原本脆弱的土地生态环境损害程度，进而危害影响黄河流域中游土地与水资源的关系[3]。晋陕蒙能源金三角地区因特殊的地质采矿条件与超长、超大工作面尺寸[4]，加剧地表生态损害[5]。

我国西部矿区工作面尺寸远大于中东部矿区，超大工作面大采高采煤造成地表移动变形的静态、动态沉陷参数亦不同。郭文兵等探讨了西部高强度开采的含义[6]；王鹏[7]、李圣军[8]研究了神东地区哈拉沟、韩家湾矿高强度开采地表移动变形特征规律。王新静[9]、陈超[10]等揭示了神东风沙区超大工作面地表下沉盆地具有自修复现象。杜善周[11]对神东矿区超大工作面开采地表移动变形与地表微生物修复耦合影响作用下的绿色开采技术进行了研究。闫伟涛[12，13]等研究了西部风沙区超大采高工作面覆岩破坏与地表溃沙的灾害特征及其机理。杨俊哲[14，15]针对神东补连塔与上湾的超大采高工作面开展了系统的覆岩破坏高度研究，发现覆岩损害程度高、破坏范围大等特点。本研究基于陕北风积沙区柠条塔矿S12002工作面的地表变形实测数据，分析其地表移动变形特征，并且对西部矿区相似地质采矿条件下地表移动变形参数进行对比分析，尤其是覆岩结构、地质条件、工作面尺寸等复合因素影响下地表下沉系数特征。为西部风沙区超长工作面开采地表移动变形提供一定价值的借鉴。

1 采矿地质条件与地貌特征

柠条塔矿位于陕北矿区神南煤田，毗邻毛乌素沙漠边缘，北接考考乌素沟，区域内为风积沙地貌，植被稀少，干旱少雨，地势平缓。柠条塔矿S12002工作面位于井田西南边缘，工作面北侧终采线处与西宁公路毗邻，主采侏罗纪2-2煤，工作面长3955.95 m，宽344.4 m，煤厚3.6～4.1 m，采高4.1 m，倾角0°27′～2°14′，无断层，地质构造简单，赋存稳定。工作面埋藏深度170～220 m，平均埋深195 m左右。煤层上覆基岩厚度90～130 m，土层厚度40～100 m，沙层厚度0～10 m。

2 观测站布设与数据获取

获取整个工作面地表采动变形过程是一项非常复杂的工作，因此设置地表移动观测站是最直接、安全、可靠的方法[20]。基于研究区地形地貌、地质采矿条件与监测原则，采用剖面法，布设2条观测线，点间距均为20 m，走向观测线(A线)处于S12002工作面中心位置，长1200 m，点数61个，起点距开切眼2955 m，倾向观测线(B线)在距离开切眼3155 m的工作面上方，长600 m，点数31个，两条测线交汇于点A11(B17)。两条测线的观测频率为每周一次，直至下沉稳定结束，走向共计观测19次历时234 d，倾向观测17次历时209 d。最终选取合理的监测期次绘制出地表移动变形特征图。

图1 工作面测线布置

3 风沙地貌超长大采高工作面开采地表移动变形特征分析

S12002工作面属于超长工作面大采高开采，属于初次采动影响。同时，在西部高强度采矿条件下，地表沉陷变形程度剧烈。

3.1 地表下沉规律分析

3.1.1 地表下沉

高强度的持续推进，地表形变不断变化，快速获取稳定的测线位移数据，如图2所示。走向方向上，由于布设在工作面末端位置。倾向方向上，观测线位于距终采线800 m处，S12002工作面走向与倾向剖面下沉后，整体呈现“凹”形盆地特征，符合开采沉陷学沉降规律。

图2 地表移动下沉曲线

从图2(a)中走向下沉曲线可知，当工作面回采至3038.6 m时地表出现略微下沉，当回采3234.6 m处，地表下沉量快速增加至2329.6 mm，说明该点上覆岩层产生了破断下沉。在距开切眼450～650 m，岩层活动剧烈，下沉量变化大且具有轻微震荡。最大下沉点A2回采3038.6～3332.6 m期间，沉降量最大，累计下沉达到了2330 mm，总累计沉降为2442 mm，距终采线980 m左右，占总沉降量的95%，回采位置正好处于距离终采线720 m处；经充分采动后，最大下沉值基本在2.0～2.4 m。

从图2(b)中倾向最终下沉线值可知，工作面断面位置中心点为B17(A11)，在井下回采至3234.6 m，对倾向观测线部分观测站产生影响，影响范围为B3—B28号观测点，其中影响最大下沉点出现在B14号观测点附近(距离走向中心线40 m左右，在其右侧)，最大下沉量为2311.6 mm，且最大下沉值偏向采空区方向；在未开采区下沉影响边界较小，左侧保护煤柱边界下沉点值为96.1 mm，工作面右侧的保护煤柱侧出现596.75 mm的下沉量，有一定阻隔效果，但其影响边界扩展仍旧较大。

3.1.2 水平移动

分析各时期的观测数据获取走向与倾向方向上的水平移动曲线，分析超大空间高强度开采条件下地表水平移动变化情况，如图3所示。

图3 地表移动水平移动曲线

走向方向上在井下回采至3862.6 m，最大正水平移动值417.9 mm，井下回采后3个月，最大负水平移动值832.3 mm；从井下回采结束开始，走向方向上水平移动趋势渐缓，并趋于稳定。

倾向方向上，在工作面不断推移过程中，邻近采空区侧产生的变形程度更大，在距中心线-120 m左右，出现最大正水平移动417.9 mm；在距中心线140 m左右，出现最大负水平移动-575 mm。由此可知，相邻工作面开采即使有20 m保护煤柱，其下沉导致地表移动变形量增加，加之风积沙地貌地表松散，沙土覆盖，当裂隙贯穿时，极易导致突沙溃沙的风险[10，16]。

综上分析，陕北风沙区超长工作面开采具有下沉响应速度快，伴随工作面回采，地表下沉变化快。从上图2(a)可知，地表进入超充分采动距离短(0.72H0)，远远小于传统的1.2～1.4(H0)，不同于中东部开采的下沉盆地特征[17]。同时，发现西部风沙区超长工作面在倾向方向上的下沉具有向邻近老采空区便宜的现象，即使留设保护煤柱其下沉量也占最大下沉量的25.8%，由于工作面埋深浅、开采空间大、地表沙层具有流动性造成的。

3.2 地表动态变形参数特征

3.2.1 最大下沉速度

生态脆弱区浅埋厚煤层高强度开采，使得地表变形剧烈，下沉速度快等特点。尤其是深厚比越小，地表下沉越大。S12002超长工作面开采下沉速度曲线如图4所示。

图4 地表下沉速度曲线

工作面的高强度回采，地表下沉曲线经历了从小到大、逐渐稳定、逐渐衰减的阶段。下沉阶段内，计算可得每次监测期间地表测点的每天平均下沉速度值。走向上最大下沉速度点为24号，下沉速度354 mm/d。

3.2.2 最大下沉系数

下沉速度与基岩性质、基岩厚度、工作面宽深比、深厚比、基采比、回采速度等众多因素相关。基于现场工程情况与实测数据分析，求取地表最大下沉系数K：

K=VmaxH0/CWmax(1)

式中，Vmax是地表最大下沉速度，取354 mm/d；H0为平均采深，取195 m；C为平均回采速度，取14 m/d；Wmax为最大下沉量，取2166.4 mm。

因此柠条塔矿S12002工作面最大下沉速度系数为2.27。由此看来，生态脆弱矿区超大工作面高强度开采下沉速度系数普遍偏大，其主要影响因素：①地质采矿条件特殊，西部浅埋厚煤层覆岩多为中硬岩层，厚度小，易受采动影响后断裂；②智能高效化机械采煤技术普及，高强度采煤过程中，地表下沉变形剧烈；③松散层厚度小，力学性质极低，裂隙带影响至松散土层厚，裂隙发育至地表，易形成突沙、溃沙风险。

3.2.3 最大下沉速度滞后距

如图5(a)所示，工作面进入超充分采动后，地表最大下沉速度达到极值，该点距工作面之间的距离称之为最大下沉滞后距，称为L。该点与工作面之间的连线与采空区的夹角称之为最大下沉速度滞后角，用φ表示。因此，S12002工作面的最大下沉速度滞后距为158.65 m，最大下沉速度滞后角为51.58°。

图5 最大下沉速度滞后

分析该矿区地质采矿复合因素，上覆岩层的岩石物理力学性质属于较硬岩层，深厚比较小，基岩厚度薄、采煤裂隙有可能贯穿基岩层，地表松散层厚度小、力学性质差，同时高强度开采带来的地表剧烈运动等因素多重影响之下，导致滞后角较大。

3.2.4 超前影响距

工作面前方随着开采也将受到影响，超前于工作面下沉大于10 mm的范围称之为超前影响距[5]。用l表示，其超前影响角度计算公式：

ω=arccot(l/H0)(2)

超前影响可以提前获悉采煤塌陷盆地提前影响的位置局域，可以科学、合理的预测超前影响区域，可以提前对地表植被与构筑物进行适当的防护措施。计算数据可知该工作面超前影响距为76.7 m，超前影响角为69°，超前影响距离如图6所示。

图6 超前影响距离

3.3 地表移动周期

S12002工作面地表活动时间如图7所示，地表移动活跃阶段为54 d，该阶段占总下沉量的96%，主要表现为下沉剧烈，地表将产生动态裂隙，如地面存在建筑物与植被，将受一定程度的影响。

图7 S12002工作面地表活动时间

分析认为浅埋煤层超长工作面大采高情况下，工作面地表移动活跃期时间短，地表变形剧烈，煤层开采3个月后，地表即进入稳定下沉盆地阶段，具有地表移动活跃期时间短，下沉量大，采煤塌陷地表损害重的特征。

3.4 地表移动主要预计参数分析

多年来的实践研究表明，概率积分法具有实用性强、参数易于确定等优势[18]。基于S12002工作面实测数据，计算实测数据获得超大空间开采概率积分法预计相关参数。通过实测数据计算可得S12002工作面概率积分法预计参数，具体数据见表1。

表1 S12002工作面概率积分法预计参数

有表1可知，西部生态脆弱区上覆岩层分为松散层与基岩层两种，煤层上覆基岩层起到了关键支撑作用，其破断开裂将直接破坏松散层内部结构稳定性；松散层力学性质较差，对基岩载荷较小，一旦基岩破断严重，将会产生突沙溃沙的风险。在超充分采动条件下，下沉系数受基岩与开采高度影响较大，地势平缓在一定程度上减弱了水平移动。下沉盆地边缘较陡，则其主要影响半径相对较小，主要影响角正切值大。拐点偏移距45.3 m，为0.24H0，在(0.08～0.30)H0之间，上覆岩层属于中硬覆岩层[20]。

为深入研究西部超大工作面高强度开采的地表移动规律，收集了榆神府地区多个超大工作面的地表移动变形实测数据，工作面煤层倾角均为0°～5°，属于近水平浅埋深厚煤层开采。发现邻近相似矿区地质采矿条件下，神东地区下沉系数在0.55～0.76，陕北地区(柠条塔)下沉系数在0.54～0.59之间，平均值明显小于神东矿区。但是水平移动系数、主要影响角正切与综合边界角均大于神东地区地表移动参数。这说明陕北矿区采煤塌陷下沉活动剧烈、地表变形强于神东矿区、但沉陷盆地影响范围却小于神东矿区。

4 工作面地质条件对地表下沉系数的影响

不同地质采矿条件下，对地表移动参数有不同程度的影响，尤其是超长工作面大空间范围与地质采矿条件间的复合因素影响。由表2数据，基于目前西部浅埋深超长工作面条件下地表变形实测数据进行分析，对下沉系数与宽基比、基采比、松采比之间的关系进行讨论。宽基比为工作面宽度与基岩累厚比，基采比为基岩累厚与采高之比，松采比为松散层厚度与采高之比。

表2 地表移动参数分析

由图8—图10可知，下沉系数与地质采矿条件变化有一定的相关性。对于西部浅埋煤层超长工作面大采高开采条件下沉系数，受上覆基岩厚度与工作面尺寸影响较大，线性对比分析后。发现当基采比大于20时，下沉系数集中在0.55～0.7之间；当宽基比大于4时，下沉系数较大；当松采比越大，下沉系数越小，其相关性达到了0.74，存在明显相关性。表明松散层厚度比采高越大，其下沉系数越小，这是因为松散层物理力学性质较弱，松散程度高，不具备粘合压缩，覆盖于地表更有效减缓下沉程度。

图8 下沉系数与基采比

图9 下沉系数与宽基比

图10 下沉系数与松采比

分析认为：宽基比是影响西部浅埋超长工作面大采高开条条件下下沉系数的主要因素。地表下沉受基岩强度、采动程度、采高、工作面尺寸复合多因素耦合影响。西部地区浅埋煤层基岩碎胀性较低，地表松散层较厚，且多为土沙。加上大采高快速回采的影响，下沉曲线在边界快速收敛，下沉盆地明显，较早出现最大下沉范围。

5 结 论

1)陕北风积沙区超长工作面地表移动变形剧烈，下沉速度快，下沉量大，地表下沉呈非连续性震荡波动。

2)陕北风积沙区超大工作面下沉盆地影响范围小，边界处地表下沉收敛快，坡度陡，水平变形大，基采比小于20易产生地表裂缝。

3)获得了陕北风沙区浅埋煤层超长工作面最大下沉速度354 mm/d，下沉速度系数为2.27；超前影响距为76.7 m，超前影响角为69°；最大下沉滞后距158.65 m，最大下沉速度滞后角为51.58°，地表活跃期时间54 d等地表变形动态参数，表明该地区开采过程下沉剧烈，下沉速度快，沉陷量大，边界处下沉收敛快，具有明显的高强度开采损害特征。

4)西部风积沙超长工作面下沉系数与地质条件采矿参数存在一定的相关性，发现当覆岩松采比越大时，下沉系数越小，松散层具有一定减缓下沉的作用；宽基比越大，下沉系数越大。