贺国伟,郭 剑

(陕西铁路工程职业技术学院,陕西 渭南 714099)

金鸡滩煤矿1206工作面为首采工作面,本文通过对该工作面地表观测站实测数据的分析,研究了地表沉陷移动变形规律,揭示出该矿区开采地表及复岩的移动变形特征,为矿区其他工作面的开采、环境治理及土地复垦等提供了重要的参考资料。

1 工程概述

金鸡滩煤矿位于陕西省榆林市榆阳区金鸡滩镇,矿区地面主要为滩地和沙丘沙地。区域位于陕北侏罗纪煤田北部,与内蒙古东胜煤田相连,西达定边,与宁夏灵武、盐池煤田相连,为鄂尔多斯盆地的一部分。各期的升隆运动都有东部幅度较大的特点,形成了自东向西地层由老至新,大致呈北向东带状出露的特点。井田内地层依次为直罗组Jz2、延安组五段J2y、延安组四段J2y和延安组三段J2y[1-3]。松散层平均厚度70 m,基岩层厚度176 m,基岩层硬度为中硬。首采工作面开采宽度300 m,长度4 548 m,平均采厚5.5 m,采深246 m。

2 地表沉陷特征

研究过程中,分别在工作面的走向主断面和倾向主断面各布设一条观测线。在采动过程中,对倾向观测线和走向观测线共进行了12次观测,并且最后几次观测数据表明,地表已趋于稳定。第m次观测时,n点的地表沉陷计算公式如下:

(1)

走向观测线和倾向观测线绘制的下沉曲线分别如图1和图2所示。从图1可以看出,当工作面推进151 m时,地表开始形成微小的下沉盆地,地表最大下沉点为A27号,下沉量为108 mm,距离开切眼(A22)75 m,符合一般开采沉陷规律,即最大下沉值往往滞后于工作面推进的位置[4-5]。随着工作面不断推进,地表下沉程度不断加剧。当工作面推进210 m时,点A28的下沉速度达268 mm/d,为最大值,且该点滞后于推进边界120 m左右。随着工作面不断向前推进,该点的下沉趋势与地表移动的一般规律相符合。当工作面推进至320 m时,点A23的下沉量发生突变且大于点A24。走向观测方向的下沉曲线平底部分不是非常均匀,说明局部地质采矿条件对地面沉陷也产生影响。当工作面推进到898 m以后,走向观测线上的地表移动进入衰退阶段,最终走向最大下沉值为3 059 mm,倾向最大下沉值为2 707 mm。

由图2可以看出,地表下沉盆地在靠近边缘部分较平缓,在采空区上方附近其值变化大。这说明采空区边缘的地表下沉量及倾斜较小,而采空区上方的地表受煤层大采高(平均5.5 m)、埋深相对较浅(平均埋深246 m)、厚松散层(土层厚度70 m)等因素的影响,沉降量变化较大。采动过程中未出现大的台阶,因此下沉曲线的连续性较好,相对较平滑。

图1 走向观测线下沉曲线Fig.1 Subsidence curve of direction observation line

图2 倾向观测线下沉曲线Fig.2 Subsidence curve of trend observation line

由于厚松散层抗拉性和剪切性较差,地下采动的影响传到地表后,地表很快出现裂缝。松散层之间的连接性也较差,几乎没有凝结性,抵抗地下采动影响的能力较弱,因此很快发生下沉。随着开采范围不断扩大,开采程度不断加深,松散层自身荷载作用于上覆岩层,导致地表形成二次塌陷,地表沉陷和移动更剧烈。

3 地表变形特征

相邻两点间的倾斜为:

(2)

式中:in～n+1为相邻两点间的倾斜,mm/m;ln～n+1是n号点至n+1号点间的水平距离,m;dn+1，dn分别表示n+1号点和n号点的下沉量,mm。

倾向观测线的倾斜变化规律比较明显,位于采空区边界的倾斜值明显较大,而位于采空区中部和盆地边缘的倾斜值较小。由图1和图2可以看出,在工作面推进540 m时,相邻点的相对下沉量特别大,倾斜变化剧烈;当工作面推进774 m之后,各相邻点之间的相对下沉量变化较小,绘制的倾斜曲线如图3和图4所示。

图3 走向观测线地表倾斜曲线Fig.3 Surface tilt of direction line

图4 倾向观测线地表倾斜曲线Fig.4 Surface tilt of trend line

走向观测线在开切眼处的倾斜变化和倾向观测线的倾斜变化规律不仅明显，而且符合地表移动盆地的倾斜变化一般特征。由图3可以看出,当工作面推进320 m时,在开切眼处偏向采空区一侧的相邻点之间的倾斜较大;当工作面推进到629 m时,采空区内的倾斜变化趋于稳定;当地表下沉稳定后,走向线的最大倾斜发生在点A24—A25处,其值为-44.3 mm/m。倾向线的最大倾斜值为37.6 mm/m.

n+1号点至n号点间的水平变形为:

(3)

图6 倾向观测线水平变形曲线Fig.6 Horizontal deformation curve of trend line

由图5和6可看出,靠近开采边界两侧的水平变形较大。走向线上的水平变形最大值为35 mm/m,位于开切眼处的A24处;倾向线上的最大水平变形值为-21 mm/m,位于采空区中央B25附近。

根据首采工作面地表的实际情况,沿走向布置了一条观测线,这条观测线可以确定开采过程中启动距的大小。当工作面推进至151 m时,地表点A27下沉量已经达到102 mm,处于下沉活跃阶段，由于下沉曲线趋于一条水平直线，故未在图中给出。因此,开采过程中的启动距处于100～150 m之间。为了较准确获取启动距,根据前几次的最大下沉值及对应的工作面推进距离数据,利用最小二乘原理拟合出最大下沉值与推进距离之间的函数关系,并以此确定启动距,参与拟合的数据见表1。

拟合后的数学模型为:

fx=0.014 79x2-17.16x+1 637 .

(4)

式中:x为工作面推进距离,m;fx为最大下沉量,mm。

根据公式(4),把-10 mm代入上述公式,解得x=105 m,因此启动距为105 m。

表1 地表最大下沉值与工作面推进距离Table 1 The maximum surface subsidence and the driving distance of working face

最大下沉速度滞后角与上覆岩层性质、工作面推进速度及重复采动等因素有关。掌握地表最大下沉速度滞后角的变化规律,可以确定回采过程中对应的地表剧烈移动的时间和位置,这些参数对采动地面保护具有重要的实践意义。

地表最大下沉速度滞后角与滞后距离的关系为:

(5)

式中:l为最大下沉速度点滞后工作面的距离,m;h0为煤层的平均开采深度,m,h0=246 m;φ为最大下沉滞后角,(°)。

根据走向线的下沉速度确定地表最大下沉速度点与工作面推进位置的关系,按式5计算最大下沉速度滞后角φ,计算结果如表2所示,平均值为57°。

表2 最大下沉速度滞后角计算表Table 2 Calculation table of the maximum subsidence speed and lag angle

倾斜和水平变形值偏大,说明松散层抗拉性较差;启动距偏小进一步表明松散层地表受地下采动影响较大,采动影响传到地表后,地表立即出现沉陷变形;最大下沉速度滞后角偏大主要受松散层自身荷载作用所致,工作面推过后,上覆岩层开始垮落,由于厚松散层自身荷载,使上覆岩层垮落更严重,导致地表下沉量较大。

4 结论

厚松散层首采工作面受松散层抗拉性较差和自身荷载等特点影响,使地表沉陷变形量相对较大,走向最大下沉值3 059 mm,倾向最大下沉值2 707 mm,走向最大倾斜值为-44.3 mm/m,倾向最大倾斜值为37.6 mm/m,走向最大水平变形值为35 mm/m,倾向最大水平变形值为-21 mm/m。地表移动在走向方向上达到超充分采动,在倾向上接近于充分采动。