巨厚松散层下重复开采地表沉降规律研究

第１２卷第２期（总第７５期）　煤矿　开　采　Ｖｏ１．１２　Ｎｏ．２（Ｓｅｒｉｅｓ　Ｎｏ．７５）　２００７年４月　Ｃｏａｌ　Ｍｉｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ａｐｒｉｌ　２００７　巨厚松散层下重复开采地表沉降规律研究　王晋林，高　良　（淮南矿业集团潘一矿，安徽淮南２３２０８２）　［摘要】　根据１４０２１（３）观测站资料分析、研究，总结出巨厚松散层下重复开采地表移动变　形规律，对于潘集矿区留设保安煤柱、解决“三下”采煤及青苗赔偿、拆迁等问题具有重要意义。　［关键词】　巨厚松散层；重复开采；地表沉降规律　［中图分类号】ＴＤ３２５　［文献标识码】Ｂ　［文章编号】１００６－６２２５（２００７）０２－００６７－０３　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ　Ｒｕｌｅ　ｏｆ　Ｒｅｐｅａｔｅｄｌｙ　Ｍｉｎｉｎｇ　ｕｎｄｅｒ　Ｅｘｔｒａ・ｔｈｉｃｋ　Ｌｏｏｓｅ　Ａｑｕｉｆｅｒ　四系松散层厚３３５ｍ左右，为黏土、砂层等交互沉　１概述　积物，其中砂层富含水。所采１３—１煤层伪顶为炭　淮南潘集矿区第四系松散层厚一般为１２０～　质页岩，厚４～１０ｍ。工作面走向长６５０ｍ，倾斜宽　４５０ｍ，平均厚度为３００ｍ，地表平坦，建（构）筑　度为１２５ｍ，倾角６。；上风巷平均标高为一３７３ｍ，　物及村庄稠密。为研究巨厚松散层下采煤引起的地　下运巷平均标高为一３８６ｍ，地面标高为＋２０ｍ，平　表移动规律，１９８４年由煤科院合肥研究所、原淮　均采深４００ｍ。工作面以下各阶段１３—１，１　１－２煤均　南矿务局地测处及潘一矿联合在潘一矿布设地表移　已采完，上部为１１－２煤采空区。该面于１９９８年１２　动观测站。通过对观测资料综合分析、研究，取得　月２６日回采，１９９９年８月２４日收作。１９９９年２　了初步成果，为潘集矿区留设保安煤柱、解决　月１４日至２月１９日５ｄ停采，停采时工作面距切　“三下”采煤等问题提供了基础资料。　眼１２５ｍ。共回采２３６ｄ，走向推进６１４ｍ。采煤方　由于当时地表观测站的设置受井下采场，　法：炮采、走向长壁后退式、全部冒落法处理顶　工作面开采未达到充分采动，特别是随着采煤工艺　板，平均采高１．９１ｍ，平均月推进７８ｍ。　的不断发展，以前求取的某些地表下沉移动参数，　已不再适合现有地质开采条件下使用。为此，本矿　３观测及裂缝情况　于１９９８年在西二采区１４０２１（３）工作面上方设置　３．１观测情况　地表移动观测站，目的是为了进一步研究巨厚松散　观测站共进行了５次全面观测，１４次水准测　层下重复开采地表变形规律，为缩小工广煤柱留　量。平面控制测量利用矿区控制网，以潘一～平峨　设、合理优化设计、解决”三下”开采及青苗赔　山作为起算边，用苏光Ｊ：配合ＲＥＤｍｉｎｉ２短程测距　偿、村庄搬迁等问题提供理论依据。　仪，按５”导线精度要求施测；高程控制用Ｃａｒｌ　２观测站设置及地质采矿情况　Ｚｅｉｓｓ　Ｎｉ００７水准仪从工广基岩标“广基。”按三等　水准要求测至观测线各点。工作面回采２０ｄ后　２．１观测站设置　（１９９９年元月１６日），用ｓ　水准仪巡视测量（只　观测站因受地形条件，走向和倾向只设置　测走向线），发现走向线部分测点已经下沉，其中　半条观测线，测点４１个，走向从东向西编号分别　位于切眼上方的１５１　１点下沉量最大。根据元月８　为１５０１～１５２０，倾向线从南向北编号分别为１４０１　日水准测量时，各测点尚未移动；元月１６日，　～１４２０，测点间距为３０ｍ（个别测点间距受地形限　１５１１点下沉量５２ｍｍ，８ｄ时间，日平均下沉为　制加大）。１９９８年１２月４日完成埋点工作，１９９８　６．５ｍｍ推算，地面１５１１点下沉（启动）时间大约　年１２月２５日进行连ｉ贝４。　在元月ｌ０日，此时回采工作面距切眼为３３ｍ，平　２．２地质采矿条件　均采深为４００ｍ，启动时间为工作面回采后约１７ｄ。　该工作面煤层之上的基岩岩性主要为泥岩、砂　启动时间如此之短，是以前所有回采工作面尚未发　岩及砂质泥岩，属中硬类型，厚６５ｍ，基岩上方第　现的现象。　［收稿日期］２００７－０１－０８　［作者简介］王晋林（１９６６一），男，安徽淮南人，工程师，现任潘一矿地测科科长。　６７　维普资讯 http://www.cqvip.com

总第７５期　煤矿开采　２００７年第２期　３．２地面裂缝素描　１９９９年２月６日进行第２次全面观测，发现　地面１５０５点西７ｍ处（距切眼１８１．７ｍ）出现第１　道裂缝，长３０多米，宽约１５—２０ｍｍ，１５０６点向　东４ｍ（距切眼１５８ｍ）出现第２道裂缝，长约　７０ｍ，宽２５ｍａｎ。计算结果１５０５—１５０６受到拉伸变　形，距离伸长了４４ｍｍ，１５０６—１５０７距离伸长了　２８ｒａｍ。根据回采速度推算，地面出现两道裂缝时　间大致在元月２９日至元月３１日左右，此时工作面　４．２．１边界角　８ｏ＝ａｒｃｔａｎ（４００／２５０）＝５７。５９　４０”；　０＝ａｒｃｔａｎ　（３９３／１８０）＝６５。２３　２９”。　４．２．２移动角　因潘集地区松散层巨厚，其表土层移动角与基　岩移动角不便分开，由实测结果并考虑３种最大允　许变形值，求出综合移动角：　＝ａｒｃｔａｒｌ（４００／２０１）＝６３。１９　１３　；　＝ａｒｅｔａｎ　（４００／１８０）＝６５。４６　２０”。　回采位置距切眼约８８ｍ，回采时间约３６ｄ。２月２３　日，进行加密水准观测时，发现原两道裂缝继续增　长、增宽，其中第２道裂缝比原来增长４０ｍ，增宽　２５ｎｕｎ。同时在１５０６测点处及该点向西１０ｍ处新增　２道裂缝，即在１５０６测点左右出现了大小不同的４　道裂缝群。所有裂缝大致与切眼平行。裂缝距切眼　最近１４４ｍ，最远１８１．７ｍ，如图１所示。在全部水　准测量中，发现每次１５０６测点的下沉量始终大于　１５０７点，而形成倒台阶现象。　图１地表裂缝情况　４参数的求取　４．１采动过程中主要参数的确定　４．１．１启动距｜ｓ　工作面回采后地面启动时距切眼为３３ｍ，平均　采深ｎｏ＝４００ｍ；求得ｋ＝０．０８２；则｜ｓ＝０．０８２Ｈｏ。　４．１．２超前影响角ｔＯ　由公式ｔＯ＝ｍ＇ｅｔａｎ（风／　）；Ｌ超为超前影响　距，它是工作面前方地表下沉１０ｍｍ的点与工作面　当时所处的位置之间的水平距离。根据１５１９，　１５２０，１５２１测点的观测结果求得平均超前影响角　ｔＯ＝６０。５３　５２　；超前影响角随着工作面回采速度增　大而增大。本次所求出的超前影响角比以前非重复　开采条件下所求的超前影响角小约９。。　４．１．３最大下沉速度滞后角西　根据１５１７—１５２０各测点最大下沉速度、出现　时间及回采工作面所处位置，求得平均滞后距　＝４７ｍ；由咖＝ａｒｃｔａｎ（风／　２）＝８３。１７　５４”。　４．２地表稳定后主要参数的确定　６８　４．２．３裂缝角　本次观测线走向方向出现４道裂缝，倾斜方向　未发现裂缝。走向裂缝距切眼最远为１８１．７ｍ，最　近为１４４ｍ。则　＝ａｒｃｔａｎ（４００／１８１．７）＝６５。３４　１２”；　＝ａｒｃｔａｎ（４ｏｏ／１４４）：７０。１２　０４＂。　４．２．４最大下沉速度　在倾斜主断面上，最大下沉点偏离采空区几何　中心距离为１８ｍ，由最大下沉角定义得出　＝　ａｒｃｔａｎ（风／Ｌ）＝ａｒｃｔａｎ（４ｏｏ／１８）＝８７。２５　２４　。　４．２．５下沉系数ｇ　实测该面的最大下沉值为１３２４ｍａｎ，平均采厚　为１．９１ｍ，倾角６。，及公式ｑ＝　／ｍＣ　ＣＯ８０／。其　中Ｃ　为采动程度系数，查表得Ｃｒ＝０．８４　求得ｑ＝１３２４／１９１０　Ｘ　０．８４　Ｘ　ｃｏｓ６。＝０．８３（此　下沉系数为充分采动条件下的系数）　４．２．６水平移动系数ｂ　根据实测的最大下沉值及最大水平移动值，由　ｂ＝　～／　，则走向方向水平移动系数为ｂ＝３８０／　１３２４＝０．２９（为充分采动时水平移动系数）。　４．２．７拐点偏距Ｓ　根据下沉曲线图：Ｓ走＝一５ｍ，Ｓｔ＝一４０ｍ。　４．２．８下沉速度经验公式　地表点最大下沉速度的计算采用经验公式：　Ｖ：ｎ　ｃ／ｔＩｏ（ｍｍ／ｄ）　式中，　为最大下沉值，ｍｍ；Ｃ为工作面推进速　度，ｍ／ｄ；Ｈｏ为平均采深，ｍ。　通过对１５１４—１５２０各测点实测的最大下沉速　度、最大下沉值及工作面推进速度列表计算，得出　最大下沉速度经验公式为：　＝１．６ｏ　ｃ／ｔＩｏ　４．２．９移动总时间　地表移动总时间一般根据最大下沉点来确定，　从开始受到影响直到最终稳定，依据下沉速度　的大小，分３个时期；初始期Ｖ＜￣５０ｍｍ／月，活跃　期Ｖ＞５０ｍｍ／月，衰退期Ｖ＜５０ｍｍ／月，直到稳定。　１５２０号测点的下沉速度如表１。　维普资讯 http://www.cqvip.com

王晋林等：巨厚松散层下重复开采地表沉降规律研究　表１　１５２０号测点下沉速度　２００７年第２期　５．２　几点认识　（１）拐点位置是一个重要问题，它决定着地　表下沉盆地重要特征点的位置，拐点处的倾斜值最　大。拐点偏距主要受岩性影响，采空区上方的顶板　一般并不切煤壁冒落，而呈阶状弯曲，保持一段悬　５结论及认识　５．１结论　顶距。顶板（直接顶或基本顶）岩性越硬，悬顶　距则越大，这时地表下沉曲线拐点也就越偏向采空　区一方。因此，对于重复采动条件下，拐点势必偏　向采空区外侧。这种情况对于厚煤层分层开采时，　（１）由预计值确定的危险边界和移动盆地边　界范围明显偏小，下沉曲线拐点以外的预计下沉值　表现应当更明显。　收敛过快，以内的实测值比预计下沉值稍小。　（２）对于倒台阶现象，其他工作面回采时均　（２）启动时间短，从工作面回采到地表开始　发生，且在走向主断面上较为明显，出现在裂缝带　移动下沉大约１７—２０ｄ，启动时间大约比非重复开　附近。如图１所示，１５０５与１５０７之间出现４道裂　采缩短了近一半。移动持续总时间比非重复开采有　缝，１５０６点的下沉量始终大于１５０７点，而形成倒　所缩短。初始期和活跃期占总时间的４７．１％，下　台阶现象。究其原因可能有：　沉量占总量的９４．９％，衰退期占总时间的５２．９％，　①工作面下方为１３．１煤采空区，上方为１ｌ－２　下沉量占总量的５．１％。　煤采空区，上覆岩层已经历过冒落、断裂、离层等　（３）下沉速度增大，最大下沉速度滞后角增　移动变形，第四系松散层巨厚（３３５ｍ），其中砂层　大，下沉系数ｇ值增大约１０％，但未发现ｇ值大于　富含水。随着工作面重复开采，其上覆岩层再次发　１的情况。　生冒落、断裂、离层。伴随地表下沉、压缩，含水　（４）超前影响角∞减小，比非重复开采时减　层的水顺着断层裂隙流失，砂层压缩变形，而引起　小约９—１０。。　局部下沉值增大。　（５）一般理论认为，拐点偏向采空区内侧；　②从力学角度来看，１５０６点同时受到因岩层、　而实际上是偏向采空区外侧。　表土层下沉引起的垂直地表的拉力　及水平移动　（６）地表移动呈非连续性，伴随地面裂缝，　引起的拉伸力　。在１５０６点地表产生裂缝群，从　出现台阶及倒台阶。地面出现裂缝处其倾斜及水平　而破坏了地表移动的连续性。随着地表移动，拉伸　变形值均超过一般建筑物允许变形值，应当视为危　力　被裂缝吸收而对１５０６点失去作用或变小，即　险变形区。对于潘集地区来说，农民居住的房屋大　在１５０６点主要受到　力作用，表现为１５０６点的下　多数仍然是墙体为泥坯的草房，或是砖墙、木架平　沉值大于１５０７点而形成倒台阶现象。　房，受到破坏或损坏是严重的。因此，认为把裂缝　目前所获资料不充分，倒台阶现象，还需今后　角（地面出现裂缝处）定为破坏性移动角是适合　进一步探讨。　于潘集地区实际的。　［责任编辑：邹正立】　（上接６６页）　平煤层情况下要小。　上，设计制造出良好的重量尽可能轻的大倾角综放　（２）支架在４０。斜面所承受的侧向力为　支架并将其用好，是大倾角特厚煤层综放技术的关　２５８０ｋＮ（不含支架的重量在斜面上的侧向分力），　键。建议在将来试采中要进行矿压观测，确保支架　即在大倾角的情况下，支架的侧向力必须加以考　正常使用。　虑。　４结论　（３）发现支架顶梁前端、顶梁上顶煤冒落，　工作面过断层时，支架上顶煤严重冒落。这对采煤　综合相似模拟实验和现场情况对甘肃靖远王家　工艺研究有一定的指导意义。　山矿综放支架进行分析可得出如下结论：　（４）建议支架设计充分考虑大倾角厚煤层的　（１）按照走向模型所得的支架的最大承受载　特点，在确定合理支架工作阻力的前提下，应适当　荷４０１３ｋＮ。为安全起见，考虑２５。的煤层倾角时得　增大支架稳定性和调架能力，尽量减轻支架重量，　到支架所承受的载荷为３７００ｋＮ，这一数值比近水　便于现场使用。　［责任编辑：邹正立】　６９