大采深厚风积沙覆盖矿区地表移动变形规律研究

大采深厚风积沙覆盖矿区地表移动变形规律研究

刘小平

中天合创能源有限责任公司，内蒙 鄂尔多斯 017000

摘要：门克庆煤矿目前主采3-1煤层。3-1煤层平均埋深692m，且上覆厚风积沙。井下煤炭资源开采后，地表移动变形表现出自身特有的规律。为此，以门可庆煤矿11-3102工作面为例，在工作面上方对应地表建立了地表移动观测站，对地表移动进行了多剖面线观测。实测发现地表移动具有如下规律：地表下沉系数较小；受相邻工作面重复采动影响，最大下沉值出现在了两个工作面隔离煤柱正上方。通过理论分析发现11-3102工作面埋深大，上覆岩层中存在两层关键层，上位关键层未发生破断，地表沉陷类型为缓慢性沉陷类型，是产生这些特殊规律的主要原因。研究成果为后续岩层控制及地表移动观测站的合理设置可提供有效的理论和技术支撑。

关键词：厚风积沙；地表移动变形；规律

1引言

地下煤炭资源开采后，其周围岩土体应力平衡被破坏，致使应力重新分布，周围岩土体发生移动变形，地表产生沉陷[1-2]。当岩土体内应力重新达到新的平衡时，地表沉陷稳定[3-5]。在该过程中，地下开采为因，覆岩为介质，地表沉陷为果。由于地下开采工艺和顶板管理方法不一、岩土体介质的岩性、厚度、层组等分布迥异，致使地表沉陷具有很大的差异性[6-8]。

作为岩土体介质的重要组成部分，松散层介质根据其物质成因、物质组成、物质结构及物质物理力学性质等，可划分为沙土介质、粉土介质和黏土介质三大类[9]。三类土体介质物理化学力学性质差异很大。其中沙土介质是岩石经物理风化后形成的原生矿物，颗粒粗糙，密度小，渗透能力强，孔隙率大。另外，沙土介质内内聚力很小甚至没有，所有沙土介质的抗剪强度主要取决于内摩擦力[10-12]。而门克庆煤矿上方地表被大范围的厚风积沙层所覆盖，且所采煤层较厚，属于典型的大采深厚风积沙覆盖矿区,其开采后地表沉陷呈现出明显的差异性。为此，论文以门克庆煤矿11-3102工作面为例进行大采深厚风积沙覆盖区地表岩移规律的实测研究。研究结果可为类似地质采矿条件下的井工开采矿井地表岩移规律揭示提供参考。

2矿区及工作面概况

门克庆煤矿是中天合创能源有限责任公司下辖的一座现代化矿井，地理位置处于内蒙古自治区鄂尔多斯市乌审旗和伊金霍洛旗交界处。矿区东西范围约13km，南北范围约7.4km。整个矿井上覆地表全部为第四系风积沙所覆盖，为半荒漠地区。

3-1煤层为对比可靠、全区可采的稳定煤层。与4-1煤层间距为29.65～50.95m，平均37.93m。顶板岩性以粉砂岩为主，其次为砂质泥岩、粉砂岩；底板岩性多为砂质泥岩及粉砂岩。11-3102工作面为门克庆煤矿第2个3-1煤层回采工作面，工作面西侧为已回采1084m的11-3101工作面，东侧为平行布设的11-3103工作面、南侧临近井田边界，北侧为3-1煤回风大巷等3-1煤开拓大巷。西侧的11-3101工作面采空区对本工作面将产生一定采动影响。本工作面对应地面为梅林庙嘎查、沙日嘎毛日村周边沙丘。11-3102工作面采宽300m，走向长5310m，工作面于2017年8月开始正式回采，于2018年4月9日阶段停采，共

回采938米，平均每天推进4m，宽度300/214m，平均埋深692m，工作面平均采厚4.75米，煤层倾角约为2° 。已知门克庆的覆岩层为中硬岩层，K1、K2可取0.8。

3地表移动观测站的设计及观测

3.1 地表移动观测站的设计

为准确获取地表移动数据，揭示由于地下开采引发的地表移动规律，需在地表建立地表移动观测站。根据《煤矿测量规程》，一般需在主断面上建立线状地表移动观测站。11-3102工作面地表主要为丘陵沙地及少许村社。测点的布设主要考虑测点便于观测，观测数据便于分析，观测成果既要反映开采影响的沉陷盆地范围，又要反映开采对不同地表位置的影响程度。依据地形条件及开采工作面的相对位置，对观测站测线作以下设计。同时考虑其相邻已采11-3101工作面的影响，共布设4条观测线，分别如下：

A线：走向观测线，沿11-3102工作面走向主断面布设全盆地观测线；

B线：倾向观测线，沿11-3102工作面倾向方向布设半盆地观测线；

C线：倾向观测线，沿11-3101和11-3102工作面倾向方向布设全盆地观测线。

D线：走向观测线，沿工作面走向方向布设在11-3101与11-3102工作面之间观测线。

图1 观测线设计图

观测站测桩及控制桩均采用现场浇筑桩，观测站测桩及控制桩均埋设2米长 Φ16～20螺纹钢筋，上层浇筑混凝土，点间距为25米见图2。

（1）埋设控制点应用全站仪根据施工测量要求按设计坐标在实地标定其位置，工作测点用全站仪标定，尽量使其中心位于同一方向线上，用木桩做标志；

测桩示意图                         现场埋设图

图2  测桩示意图和现场埋设图（图中单位mm）

3.2设计参数的确定

由于门克庆煤矿先前没做过地表移动观测站，未对地表沉陷进行过系统观测与研究，因此缺少地表沉陷观测资料及相关岩移参数。针对这种情况，相关设计参数的选取采用以下两种方法：①参考临近相似地质采矿矿区岩移参数，选取设计参数；②依据上覆岩层的岩性进行参数经验选取。根据矿区已有的11-3102工作面附近钻孔数据进行综合岩性分析，11-3102工作面上覆岩层岩性属中硬偏软，依据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范（2017版）》和《煤矿测量规程》，以及参考临近矿区或矿井的沉陷参数，选取的地表移动计算参数如下：

走向移动角：=65°

上山移动角：=65°

下山移动角：=－0.6，°

松散层移动角：=45°

依托相关参数，对各观测线进行了长度设计。各观测线信息如表1所示。

表1 岩移观测站情况一览表

3.3观测数据的获取

11-3102综采工作面于2017年8月开始正式回采，根据工作面回采时间及地表沉降变形情况，分别以不同的间隔时间进行观测：

（1）开始阶段：在2017年8月至2017年12月期间，以15天的观测周期进行了16次沉降观测；

（2）活跃阶段：2018年1月开始地表进入活跃期，观测周期由15天压缩到7天。工作面2018年4月份停采，工作面停采期间地表移动观测仍按照7天周期进行观测；

（3）衰退阶段：2021年9月工作面回采完，自2021年9月地表移动进入衰退期，2022年3月底地表沉降趋于稳定。衰退期间以1个月的观测周期进行了观测。

2017年8月至2022年3月底共进行212次观测。各线观测相关信息见表所示。

4大采深厚风积沙覆盖区地表动态移动特征

门克庆11-3102工作面开采，由于开采煤层埋藏深，采深采厚比大于30，根据煤矿开采沉陷学理论，在地表会形成连续地表移动盆地，且无大的非连续变形的发生。实测发现自工作面回采地表观测到沉陷结束地表无断裂现象，无地质灾害，无塌陷坑出现。下面分别从走向和倾向两个维度来对其动态规律进行分析。

4.1走向地表移动动态特征

11-3102工作面地表移动观测站走向观测数据如图3（走向D线）和图4（走向A线）所示。从图中可以看出，随着工作面推进，地表走向下沉呈现出如下规律：

（1）从工作面开始回采开始，当工作面推进到初始启动距距离（270m）时，地表开始下沉，形成地表下沉盆地；

（2）随后随着工作面的不断推进，地表下沉盆地的最大下沉值和下沉范围不断增加；

（3）当工作面推进到1.2-1.4倍采深时，地表下沉盆地的最大下沉值（A线809mm）不再增加，但地表下沉盆地的下沉范围随着工作面推进，沿着工作面推进方向不断前移。

在该过程中，我们可以得出如下参数：

（1）启动距。根据A线观测数据，发现当工作面推进270m时，地表下沉刚达到10mm，说明地表刚开始移动，因此，启动距为270m。

（2）超前影响距。根据A线观测数据，发现地表开始下沉点（下沉量为10mm）超前于工作面推进位置。超前距离约520m。

图3 走向线D线下沉曲线 

图4 走向线A线下沉曲线

4.2倾向地表移动动态特征

图5 倾向线C线下沉曲线            图6 倾向线B线下沉曲线

11-3102工作面地表移动观测站倾向观测数据如图5（倾向B线）和图6（倾向C线）所示。从图中可以看出，随着工作面推进，地表倾向下沉呈现出如下规律：从工作面回采开始影响到测线开始，地表下沉盆地的最大下沉值和下沉范围不断增加。但由于临近11-3101工作面的开采，致使地表最大下沉值并未出现在11-3102工作面的正中央，而是出现在了11-3101和11-3102两个工作面的中央。整个移动盆地向11-3101工作面偏移。

5 大采深厚风积沙覆盖区地表静态移动特征

5.1角量参数

根据开采沉陷学相关定义，以地表下沉10mm的点为边界点进行边界角的求取。倾向C线下沉10mm的点位于C2和C3之间，距离开采边界325m；倾向B线下沉10mm的点位于B1点，距离开采边界400m左右，综合倾向线上下沉10mm的地表点到开采边界的平均距离为363m。据此求得倾向综合边界角为62.2°。

根据走向A线观测数据可得，走向线下沉10mm的点距开切眼400m左右，据此求得走向综合边界角为60°。

5.2概率积分法参数

采用特征点法，进行概率积分法相关参数的求取：

（1）下沉系数

根据地表移动观测站测量数据可得，地表最大下沉值为888mm，位于11-3102和11-3101工作面隔离煤柱正上方。倾向采动程度系数为n1为0.69，走向采动程度系数n2为1。根据下式计算得出下沉系数为：

                     （1）

由于据此计算得出下沉系数为：0.225。相对于传统工作面来说，下沉系数偏小。

（2）水平移动系数

实测地表最大下沉值为888mm，地表最大水平移动值为267mm，根据下式计算水平移动系数：

                    （2）

计算得出水平移动系数为0.3。

    （3）其他参数

     根据特征值法，计算得出其他概率积分法参数有：主要影响正切值:tanβ上=1.9，tanβ下=1.9，开采影响传播系数:0.6。

6 大采深厚风积沙覆盖区地表沉陷机理

大采深厚风积沙覆盖矿区，风积沙以荷载的形式加载在基岩上。其中上覆岩层中的关键层控制覆岩的移动和地表的沉陷。门克庆煤矿工作面煤层上方存在两种较厚的岩层：①侏罗系中统直罗组（J2z），该地层厚度平均217.73m,总体上在井田的东南部地层厚度较大，在西北部厚度变小；②白垩系下统志丹群（K1zh），平均380.38m。岩性下部以灰绿、浅红色粗粒砂岩为主，上部为深红色泥岩、砂质泥岩夹细粒砂岩，具大型斜层理和交错层理。两层厚硬岩层共同构成双关键层。下面从双关键层视角对大采深厚风积沙覆盖矿区地表沉陷特殊机理进行阐释。

（1）下沉系数偏小

11-3102工作面中央地表正上方最大沉降量位于A32号点，下沉量为809mm，11-3101和11-3102工作面隔离煤柱上方地表最大下沉为888mm，下沉系数为0.225，下沉系数明显偏小。究其原因在于：当工作面推进距离大于启动距后，覆岩自开采煤层往上不断破断，高度随着工作面的推进不断增加。当覆岩破断高度达到关键层底端时，关键层开始悬空，发生离层，产生弯曲变形。

根据开采沉陷学理论，当上覆岩层中存在关键层时，地表沉陷分为缓慢性沉陷和突发性沉陷两类。

①其中当关键层未发生破断时，随着地下煤层的开采，关键层逐渐发生弯曲，地表发生缓慢沉降。这种情况下地表沉陷为缓慢性沉陷类型，地表下沉量小，下沉系数偏小。

②当工作面开采尺寸达到一定宽度时，上覆岩层中的关键层将发生破断，地表顿时会发生突发性沉陷，这种情况下关键层失去了对上覆岩层的支撑作用，地表下沉量会较大，下沉系数偏大。

11-3102工作面由于埋深大，上覆岩层中存在两层关键层。下位关键层位于导水裂缝带内，发生了破断；但上位关键层距离开采煤层距离远，上位关键层未发生破断，只发生了弯曲，支撑着其上覆岩层的松散层缓慢移动，也即11-3102工作面开采后，地表沉陷类型为缓慢性沉陷类型，致使地表下沉量小，下沉系数偏小。

（2）最大下沉值出现在11-3101和11-3102工作面隔离煤柱上方

由于上位关键层未发生破断，11-3101工作面开采形成的地表下沉盆地和11-3102工作面开采后形成的地表下沉盆地将相互叠加，形成一个大的下沉盆地。由于两个工作面采宽基本一样，因此，最大下沉值基本位于两个工作面隔离煤柱的正上方。

7 结论

通过对门克庆煤矿11-3102工作面进行实测，通过数据分析得出如下结论：

（1）大采深厚风积沙矿区地下开采，地表沉陷具有如下特征：地表下沉量小，下沉系数偏小；最大下沉值出现在11-3101和11-3102两个相邻工作面隔离煤柱的正上方。

（2）11-3102工作面由于埋深大，上覆岩层中存在两层关键层。下位关键层位于导水裂缝带内，发生了破断；但上位关键层距离开采煤层距离远，上位关键层未发生破断，地表沉陷类型为缓慢性沉陷类型，致使地表下沉量小，下沉系数偏小。

（3）11-3101工作面开采形成的地表下沉盆地和11-3102工作面开采后形成的地表下沉盆地将相互叠加，形成一个大的下沉盆地。由于两个工作面采宽基本一样，因此，最大下沉值基本位于两个工作面隔离煤柱的正上方。

参考文献：

[1]郑美楠,邓喀中,郭庆彪等.淮南矿区关闭矿井地表次生沉陷InSAR监测与规律分析[J/OL].武汉大学学报(信息科学版):1-11[2023-09-09].

[2]余华婷. 红庆河煤矿超长走向开采条件下地表沉陷对生态环境影响规律研究[D].辽宁大学,2023.

[3]闫伟涛,张朝辉,陈震等.山区地下深部临近采煤工作面地表沉陷规律研究[J].河南理工大学学报(自然科学版),2022,41(04):44-50.

[4]孙磊.保德煤矿上覆岩层运移规律与地表沉陷研究[J].煤炭科学技术,2021,49(S2):7-11.

[5]Yi T,Hao C,Shuang G, et al. Field Study on the Law of Surface Subsidence in the High-Intensity Fully Mechanized Caving Mining Working Face with Shallow Thick Bedrock and Thin Epipedon in Hilly Areas[J]. Advances in Materials Science and Engineering,2021,2021.

[6]Zhiyong F,Lujie Z,Kai Y, et al. Field Measurement and Study on Overburden Fracture and Surface Subsidence Law of Solid Filling Mining under Buildings[J]. Shock and Vibration,2021,2021.

[7]侯树宏,柳昭琰,李家龙等.风积沙弱胶结软岩矿区地表开采沉陷规律实测研究[J].矿山测量,2021,49(05):1-7.

[8]陈杰,王沉,薛博等.山区地貌下浅埋煤层工作面开采覆岩运动及地表沉陷规律研究[J].中国矿业,2021,30(10):181-187.

[9]袁力,谭志祥.三河尖煤矿深部开采沉陷规律实测研究[J].矿山测量,2019,47(01):1-5+48.

[10]白宗荣.深部开采沉陷规律研究与分析[J].能源技术与管理,2018,43(01):81-83.

[11]高均海,白国良.大强矿深部开采地表沉陷规律及机理研究[J].煤矿开采,2016,21(02):26-28+52.

[12]李鹏.千米深井矸石充填开采地表沉陷规律研究[J].山东煤炭科技,2016(02):128-130+133.