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特殊采煤与矿区环境治理 大采深非充分开采地表沉陷规律实测分析 贾新果1， 2， 3 1 煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013;2. 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 煤炭科学研究总院 ，北京 100013 ;3 北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京 100013 ［ 摘 要］通过在平顶山矿区某矿建立地表移动观测站，获得了非充分开采条件下的地表移动 实测数据，对该条件下的地表沉陷规律进行了分析，获得了该条件下的地表移动角量参数和地表移动 计算参数。研究结果表明非充分开采条件下地表沉陷影响范围和沉陷变形值均明显减小，岩层移动 各角量参数大于充分开采条件下的角量参数，地表沉陷变形趋于平缓。研究结果可用于指导非充分开 采在类似地质采矿条件下的煤矿开采，为解放 “三下”压煤提供了依据。 ［ 关键词］非充分开采;地表沉陷;角量参数;地表移动计算参数 ［ 中图分类号］ TD325. 2［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201505- 0053- 04 Observation and Analysis of Surface Subsidence Ｒule of Large- mining- depth Non- full Mining JIA Xin- guo1， 2， 3 1. Safety Branch，Coal Science ＆ Technology Ｒesearch Institute Co. ，Ltd. ，Beijing 100013，China; 2. State Key Laboratory of Coal Ｒesource High- efficiency Mining ＆ Clean Utilization，Beijing 100013，China; 3. Beijing Municipal Coalmine Safety Engineering Technology Ｒesearch Center，Beijing 100013，China AbstractBy setting up surface movement observation station in a coalmine of Pingdingshan mining field，surface movement rule of non- full mining was analyzed. Surface movement angle parameters and calculation parameters were obtained. Ｒesults showed that sur- face subsidence influence range and deation value reduced largely，angle parameters of strata movement was larger than those of full mining and surface subsidence and deation tended to be gentle. The results could be used to instruct non- full mining under similar condition and provide reference for mining under buildings，railways and water- bodies. Keywordsnon- full mining;surface subsidence;angle parameters;surface movement calculation parameter ［ 收稿日期］ 2015 －03 －06［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11 －3677/td. 2015. 05. 015 ［ 基金项目］ 国家自然科学基金青年科学基金项目 51404139 ［ 作者简介］ 贾新果 1980 － ，男，河北邢台人，硕士，从事开采沉陷损害与综合防治技术研究工作。 ［ 引用格式］ 贾新果 . 大采深非充分开采地表沉陷规律实测分析 ［J］ . 煤矿开采，2015，20 5 53 －56. 随着采深增加，地表移动影响范围增大，地表 移动盆地变得平缓，各项变形值减小 ［1 ］。工作面 尺寸的大小可影响地表移动盆地特征，一般用充分 采动程度，即宽深比 D/H0来表示。我国大量实测 资料表明 ［2 －7 ］D/H 0 ＜ 1. 2 ～ 1. 4 时，地表为非充 分采动。现有观测资料表明 ［8 ］，在厚松散层条件 下，采用基岩厚度作为衡量采动程度的标准更符合 实际。与充分开采相比，非充分开采地表移动和变 形规律发生了很大变化 ［9 －11 ］，采动程度 采动系 数对地表的下沉起关键控制作用。本文根据平 顶山矿区某矿 22071 地表移动观测站实测资料，分 析了非充分开采地表沉陷特征。 1观测站概况 1. 1工作面概况 平顶山矿区某矿 22071 工作面为该矿东翼采区 己组 煤 的 第 一 个 综 采 工 作 面。工 作 面 走 向 长 1760m，工作面斜长 176m，煤层倾角 21，煤层倾 向 30，煤厚 7. 4m，采高 3. 6m，采深 717 ～780m。 上覆岩层属中硬岩层，其中松散层厚约 35m，细中 粒砂岩 233. 54m;其下为泥岩、砂质泥岩、细砂 岩、煤层等岩层。直接顶为 1. 7m 厚页岩，基本顶 为 9. 0m 厚细砂岩。倾斜方向采动系数 n1 0. 20， 为倾向非充分采动。 22071 工作面位于二水平己二采区东翼，西起 东翼轨道下山，东止于井田边界保护煤柱线，南为 已回采结束的采空区 19951996 年炮采 ，北为 原生煤体。对应地表为农田，地势北高南低。开采 时间为 2005 年 12 月至 2007 年 12 月，推进速度约 61m/月，走向长壁开采，全陷法管理顶板。 1. 2观测站布置 该观测站测线总长 2205m，共布置控制点 3 个，工作测点 73 个 图 1 。沿工作面走向布置一 条走向观测线，测线长 1470m，工作测点 48 个， 35 第 20 卷 第 5 期 总第 126 期 2015 年 10 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 20No. 5 Series No. 126 October2015 测点间距 30m;在工作面西侧设半条 下山倾 斜观测线，测线长 735m，25 个测点，测点间距 30m。 图 1 22071 观测站布置 1. 3观测站观测 观测时间为 2005 年 11 月至 2008 年 8 月，历 时 34 个月，共观测了 35 次。观测频率视地表下沉 速度大小而定。 在连测后、地表开始移动之前，独立进行两次 全面观测，两次观测间隔 1d，取两次测量数据均 值作为各工作测点基准值。地表移动初始期为判定 地表是否开始移动，在预计可能首先移动区域，选 择 几个工作测点， 每隔10 ～ 20d进行1次水准测 量，发现测点有下沉趋势时，说明地表已开始移 动。该段观测从 2005 年 11 月至 2006 年 3 月，共 观测了 7 次。在地表移动进入活跃期后，重复进行 水准测量，观测频率为每隔 30d 观测 1 次，该阶段 观测从 2006 年 3 月至 2008 年 1 月，共观测了 23 次。地表移动进入衰退期后，观测频率为每隔 2 ～ 3 个月观测 1 次，该阶段观测从 2008 年 1 月至 2008 年 8 月，共观测了 3 次。 首次与末次进行全面观测，同时测量下沉及边 长，其余监测只进行水准测量。首末次全面观测作 业采用三等水准测量、日常观测作业用四等水准测 量，严格按三、四等水准测量规范进行作业。平面 控制采用 1954 年北京坐标系，利用 GPS 进行联 测，联测精度按 煤矿测量规程中地面控制测 量一级导线要求施测。观测期间，测线上测点缺失 比较严重，走向观测线缺失 22 个测点，倾向观测 线缺失 6 个测点，但观测数据能基本反映出 22071 工作面地表沉陷状况。表 1 为观测线上地表最大移 动与变形值，图 2、图 3 分别为倾向观测线和走向 观测线的部分实测下沉曲线。 表 1观测线上地表最大移动与变形值 观测线下沉 W/mm倾斜 i/ mmm －1曲率 K/ 10－3m－1 水平移动 U/mm 水平变形 ε/ mmm －1 走向观测线510－1. 38 ～ 1. 85－0. 08 ～ 0. 05－355－1. 31 ～ 0. 87 倾向观测线851－3. 58 ～ 5. 98－0. 12 ～ 0. 08322－1. 26 ～ 1. 58 图 2倾向观测线部分实测下沉曲线 图 3走向观测线部分实测下沉曲线 2观测成果分析 在进行观测成果分析前，对野外观测成果再次 检查，剔除个别观测误差大的或观测错误的数据。 根据每次观测成果计算得到的地表移动和变形值， 绘制出各种地表移动和变形曲线图，求取地表沉陷 角量参数，并进行地表移动计算实测参数求取，总 结移动变形分布规律等。 2. 1角量参数 一般用边界角、移动角、裂缝角等角量参数圈 定移动盆地边界，这些角量参数是在充分采动或接 近充分采动的条件下求得的，它们反映了地下开采 对地表移动的影响程度、大小、范围。为便于与充 分开采条件下的地表沉陷规律进行对比，求取 22071 观测站角量参数时，仍参照了充分开采条件 下角量参数的求取方法［12 ］。 根据实测下沉和水平移动数据及观测站拟合结 果求得的观测站角量参数见表 2。 由于 22071 工作面为非充分开采，地表移动变 形实测值除倾向观测线上的最大倾斜值超过了 3mm/m 外，水平变形值和曲率均较小，未达到临 界变形值，因此，只求取了下山移动角。上山边界 角采用倾向观测线上山方向的拟合下沉值求取，走 向边界角采用走向观测线上拟合的下沉值求取。同 45 总第 126 期煤矿开采2015 年第 5 期 表 2平顶山矿区［12 ］与 22071 观测站岩层移动角量参数对比 观测站 边界角/ 下山 β0上山 γ0走向 δ0 移动角/ 下山 β上山 γ走向 δ 充分采动角/ 下山 ψ1上山 ψ2走向 ψ3 最大 下沉角 θ/ 220715679*59*676475 平顶山矿区59 －0. 5α605470 －0. 65α706860. 5 －0. 87α 57. 5 0. 34α90 －0. 6α 注* 为根据拟合数据求取;α 为煤层倾角。 时表 2 还列出了平顶山矿区地表移动实测角量参 数。通过对比可以发现，充分开采条件下，下山边 界角 48，上山边界角 60，走向边界角 54，下山 移动角 56。处于倾向非充分开采条件下的 22071 观测站岩层移动各实测角量参数大于充分开采条件 下的角量参数值 10左右。 结果表明，非充分开采条件下地表沉陷影响范 围明显减小;地表危险移动范围也显著缩小，地表 沉陷变形则趋于平缓。非充分开采条件下的地表沉 陷变形特征对地表建构筑物的保护是十分有利的。 2. 2地表移动计算参数 地表移动计算参数主要有下沉系数 q、水平移 动系数 b、开采影响传播角 θ、主要影响角正切 tanβ 和拐点偏移距 S S左，S右，S上，S下等。 根据观测站测得的水平移动值和下沉值，采用 基于最大 － 最小蚁群算法的概率积分法计算模型， 对倾向观测线和走向观测线数据分别进行了求参 该求参方法已另文讨论，可参考文献 ［ 13］ ，在 此不再赘述 ，结果见表 3，表 3 中的采动系数 n1 K1D1/H，其中 D1为工作面沿倾向实际长度; H 为基岩平均厚度;中硬岩层时，取 K10. 8。拟 合结果见图 4 和图 5。倾向观测线拟合中误差 M 51mm，相对中误差 相对于实测最大下沉值为 6. 1;走向观测线拟合中误差 M 23mm，相对中 误差 相对于实测最大下沉值为 5. 3。 在充分开采条件下， 平顶山矿区下沉系数q 表 3平顶山矿区部分观测站［12 ］与 22071 观测站地表移动计算参数对比 观测站 采动系数 n1 下沉系数 q 水平移动 系数 b 主要影响角正切 tanβ下山 tanβ走向 拐点偏移距 S/m S左S右S上S下 十矿 12511. 63 0. 910. 281. 60－17. 6－16. 1－4. 7 八矿 120311. 37 0. 840. 351. 717. 3 五矿六盘区1. 520. 800. 361. 50－27. 2－11. 8－18. 7 二矿 14010. 83 0. 740. 201. 80－27. 4－16. 0－45. 0 四矿四盘区0. 690. 760. 232. 00－18. 6－23. 1－7. 2 220710. 200. 570. 262. 111. 63－15. 0－19. 0－23. 07. 0 图 4倾向观测线下沉拟合曲线 图 5走向观测线下沉拟合曲线 0. 80 ～0. 91，水平移动系数 b 0. 28 ～0. 36，主要 影响角正切 tanβ 1. 50 ～1. 71，拐点偏移距 S 大多 为负值，偏向煤柱一侧。倾向非充分开采条件下， 22071 观测站实测地表移动计算参数如下下沉系 数 q 0. 57，水平移动系数 b 0. 26，主要影响角 正切 tanβ下山2. 11，tanβ走向1. 63，拐点偏移距 S －23. 0 ～7. 0。非充分开采条件下，下沉系数仅 为充分开采条件下的 65 左右，水平移动系数 b 减小了 0. 07;在非充分开采方向上主要影响角正 切值增大约 0. 6，拐点偏移距 S 则无显著变化，地 表沉陷移动变形趋于平缓。 非充分开采条件下的地表移动角量参数和计算 参数较充分采动情况下有很大不同。究其原因，主 要是由于非充分开采时，其上覆岩层破坏具有悬臂 梁、垮落拱等特征，覆岩移动和变形破坏以岩梁弯 曲和煤柱压缩为主，具有整体压缩、均匀移动和变 形的特点。地表移动盆地中的地表倾斜值、曲率值 和水平变形值相对变小，地表移动盆地上下沉 10mm 的点 即最外边界点和危险移动边界的临 界变形值如倾斜 3mm/m，曲率 0. 2 10 －3 /m 和水 平变形 2mm/m 的点 即危险移动边界点相对内 55 贾新果大采深非充分开采地表沉陷规律实测分析2015 年第 5 期 移。因此，用这些特征点求取的边界角和移动角等 角值参数增大，求取的地表移动计算参数亦相应增 大或减小。这对建构筑物的保护是十分有利的，在 利用非充分开采地表移动规律时，必须充分利用该 特点。 22071 工作面南侧存在 19951996 年间回采 结束的采空区，该采空区距 22071 工作面回采已过 去了 10a 的时间，采空区围岩内原始应力平衡状态 经受了平衡→破坏→重新分布→新平衡的过程，地 表已处于沉陷稳定阶段;22071 观测站初期观测数 据也说明了这一点。但随着 22071 工作面的回采， 采空区围岩应力暂时形成的平衡状态被重新打破， 再一次经历了平衡→破坏→重新分布→新平衡的过 程，受采空区 “活化”影响，倾向观测线上山一 侧观测到的下沉值明显增大，拟合值与实测值相差 了 142mm，受采空区 “活化”影响，引起的地表 残余沉陷变形量不容忽视。 3结论 1根据平顶山矿区某矿 22071 观测站实测 资料及其分析表明，非充分开采条件下地表沉陷影 响范围和地表危险移动范围都显著缩小。 2非充分开采时，地表移动变形值减小， 移动角增大或者不存在;地表沉陷影响范围减小。 因此，在利用 规程 ［12 ］推荐的边界角和移动角进 行非充分开采条件下的沉陷变形计算时，需增大边 界角和移动角值。 3利用 规程 ［12 ］推荐的地表移动计算参 数进行非充分开采地表沉陷计算时，需对下沉系 数、水平变形系数和主要影响角正切加以修正，具 体做法为减小下沉系数和水平变形系数，增大主 要影响角正切值。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 何国清，杨伦，凌赓娣 . 矿山开采沉陷学 ［M］ . 徐州中 国矿业大学出版社，1991. ［ 2］ 李新颖 . 非充分采动采区地表移动的规律探索 ［J］ . 煤炭技 术，2007，26 11 109 －111. ［ 3］ 张连贵 . 兖州矿区非充分开采覆岩破坏机理与地表沉陷规律 研究 ［ D］ . 徐州中国矿业大学，2009. ［ 4］ 李文昌 . 梧桐庄矿村庄下深部压煤开采技术研究 ［D］ . 北 京中国矿业大学 北京 ，2008. ［ 5］ 易四海，戴华阳，张连贵，等 . 非充分开采地表下沉率变化 规律研究 ［ A］ . 第七届全国矿山测量学术会议论文集 ［C］ . 2007. ［ 6］ 张华兴，郭栋，卢秀林，等 . 非充分采动地表移动规律 ［ J］ . 煤矿开采，2005，10 3 58 －59，71. ［ 7］ 易四海 . 非充分采动开采地表下沉率变化规律研究 以兖 州矿区为例 ［D］ . 北京中国矿业大学 北京 ，2006. ［ 8］ 殷作如，邹友峰，邓智毅，等 . 开滦矿区岩层与地表移动规 律及参数 ［ M］ . 北京科学出版社，2010. ［ 9］ 戴华阳，王金庄 . 非充分开采地表移动预计模型 ［J］ . 煤炭 学报，2003，28 6 583 －587. ［ 10］ 戴华阳，王世斌，易四海，等 . 深部隔离煤柱对岩层与地表 移动的影响规律 ［J］ . 岩石力学与工程学报，2005，24 16 2929 －2933. ［ 11］ 张俊英，黄乐亭 . 非充分开采组合岩梁柱沉陷理论 ［A］ . 1999年全国矿山测量学术会议 ［C］ . 1999. ［ 12］ 国家煤炭工业局 . 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设 与压煤开采规程 ［M］ . 北京煤炭工业出版社，2000. ［ 13］ 贾新果 . 基于蚁群算法的开采沉陷计算参数反演 ［J］ . 工矿 自动化，2015 6 10 －13.［责任编辑施红霞 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿 ］ 上接 52 页 反映高应力岩体的应变软化、剪涨扩容特点，可见 在深部高应力岩体的数值分析时应变软化模型比摩 尔 － 库伦模型更能接近反映深部岩体破坏的实际情 况。 2高应力岩体的应变软化、剪涨扩容、遇 水膨胀是造成高应力软岩巷道剧烈底鼓的主要原 因;对底板进行锚注支护，同时补强巷帮支护，提 高两帮承载强度，形成全断面的均匀支护状态，可 有效控制底鼓。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 许传峰． 高应力软岩巷道支护设计及数值模拟 ［J］．煤矿安 全，2013 7 214 －216. ［ 2］ 孙闯，张向东，李永靖． 高应力软岩巷道围岩与支护结构 相互作用分析 ［ J］ ． 岩土力学，2013 9 2601 －2607. ［ 3］ 王卫军，冯 涛． 加固两帮控制深井巷道底鼓的机理研究 ［ J］ ． 岩石力学与工程学报，2005 5 808 －811. ［ 4］ 黄长国 . 动压巷道变形破坏机理与修复加固技术研究 ［D］ . 淮南安徽理工大学，2007. ［ 5］ 李树清，冯涛，王从陆，等．葛泉矿软岩大巷底鼓机理及 控制研究 ［J］ ．岩石力学与工程学报，2005 8 1450 － 1455. ［ 6］ 邹永德，言仁玉． 深部软岩硐室反拱形底板锚杆和浇灌底鼓 控制技术的探索与应用 ［ J］ ． 煤矿开采， 2014， 19 3 90 －92. ［ 7］ 王进学，杨胜利，陈忠辉．膨胀软岩巷道底鼓机理与耦合支 护技术研究 ［J］． 金属矿山，2008 12 16 －20. ［ 8］ 李振顶，谢中强．深部高应力软岩巷道维修支护技术 ［J］． 煤矿开采，2011，16 4 63 －65. ［ 9］ 孟庆彬，乔卫国，林登阁，等．彭庄煤矿软岩巷道底鼓控制 技术及数值模拟研究 ［J］ . 煤炭工程，2011 2 68 －70， 73. ［ 10］ 李宗岑 . 教学三矿轨道巷底鼓机理及控制技术研究 ［D］ . 焦作河南理工大学，2011.［责任编辑王兴库］ 65 总第 126 期煤矿开采2015 年第 5 期