厚松散层综放开采条件下地表岩移参数分析_郑志刚.pdf

厚松散层综放开采条件下地表岩移参数分析 郑志刚1,2, 滕永海2 1． 中国矿业大学 北京 地球与测绘工程学院, 北京 100083; 2． 中煤科工集团 唐山研究院有限公司, 河北 唐山 063012 [摘 要] 以潞安矿区地表岩移观测站实测资料为基础, 分析了厚松散层综放开采条件下地表 静态变形和动态变形的特点, 运用回归分析方法对概率积分法地表移动预计参数、 地表动态变形参数 进行了归纳分析, 得到了地表移动参数与地质采矿条件之间的函数关系式, 研究对厚松散层下厚煤层 “三下” 开采及地表移动预计有一定指导意义。 [关键词] 厚松散层; 综放开采; 岩移参数; 动态岩移参数; 回归分析 [中图分类号] TD325． 2 [文献标识码] A [文章编号] 1006-6225 2016 02-0022-04 Ground Surface Rock Strata Movement Parameters of Thick Loose Strata with Fully Mechanized Top Coal Caving ZHENG Zhi-gang1,2, TENG Yong-hai2 1． Geosciences and Surveying Engineering College, China University of Mining 2． CCTEG Tangshan Research Institute, Tangshan 063012, China Abstract On the basis of measured data of ground surface movement of Lu’ an coal district, the characters of dynamic deation and static deation of thick loose strata with fully mechanized top coal caving were analyzed, prediction parameters of ground surface movement and deation parameters of probability integral were analyzed by regression analysis , then function rela- tion between ground movement parameters and geological situation of mining was put forward, the results referring for ‘three under’ mining with thick loose strata in extra thick coal seam and ground surface movement predicting． Key words thick loose strata; fully mechanized top coal caving; rock movement parameter; dynamic rock movement parameter; re- gression analysis [收稿日期] 2015-08-19[DOI] 10． 13532/ j． cnki． cn11-3677/ td． 2016． 02． 007 [基金项目] 国家自然科学基金 51474129 [作者简介] 郑志刚 1974-, 男, 河北唐山人, 研究员, 主要从事开采沉陷与 “三下” 采煤方面的研究工作。 [引用格式] 郑志刚, 滕永海 ． 厚松散层综放开采条件下地表岩移参数分析 [J] ． 煤矿开采, 2016, 21 2 22-25． 大量实测资料表明, 厚松散层是影响地表移动 盆地 形 态、 岩 移 参 数 及 其 变 化 规 律 的 重 要 因 素[1-2], 由于松散层自身的特殊性和地层结构的复 杂性, 在同一矿区甚至同一采区, 地层条件变化也 会导致地表移动变形规律及岩移参数出现较大差 异, 给厚松散层矿区 “三下” 采煤及地面建筑物 保护带来一定困难。 因此, 分析研究厚松散层下地 表移动变形参数,揭示其内在的变化规律,对煤炭资 源的开采、环境保护等具有重要的实际意义[3-4]。 为了掌握厚松散层综放开采条件下地表移动变 形规律, 潞安集团先后在王庄煤矿、 司马煤矿、 高 河煤矿等进行了大规模的开采试验, 并建立了地表 岩移观测站, 进行了系统的观测与研究, 获得了厚 松散层下开采地表岩移预计参数、 动态变形参数, 以及相关参数与地质采矿因素的相互关系。 1 试验区地质采矿条件 潞安矿区位于山西省东南部, 沁水煤田的东部 中段, 矿区多为厚松散层所覆盖, 地质条件比较简 单, 开采煤层为山西组 3 号煤, 赋存稳定, 煤厚 6． 2 7． 0m, 煤层倾角 3 6, 采深 248 530m, 均采用综采放顶煤开采工艺, 全部陷落法管理顶 板。 各试验工作面开采情况见表 1。 表 1 试验工作面开采情况 观测站 倾向/ 走向/ m 采厚/ m 采深/ m 松散层 厚度/ m 倾角/ 推进速度/ md -1 王庄 6206140248/17806． 5034011033． 00 王庄 4326274/7006． 6523812733． 80 司马 1101165/9606． 6524815534． 10 高河 W1303205/5407． 0053018922． 88 常村 s6-7274/13906． 2035813233． 66 试验区煤层上覆地层主要为山西组、 下石盒子 组、 上石盒子组及第三系、 第四系地层, 基岩岩性 以砂岩、 粉砂岩、 泥岩、 砂质泥岩为主, 厚度为 62 336m, 第三系、 第四系地层主要由亚砂土、 亚黏土、 黏土、 砂组成, 厚度为 110 189m。 各试 验区地层赋存条件相似, 为其内在规律的研究提供 22 第 21 卷 第 2 期 总第 129 期 2016 年 4 月 煤 矿 开 采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol． 21No． 2 Series No． 129 April 2016 ChaoXing 了有利条件。 2 地表移动变形观测 潞安矿区在试验区地表建立了 5 个地表移动观 测站, 共布设了 5 条走向观测线, 7 条倾向观测 线; 走向线长 640 1120m, 倾向线长 870 920m, 共设工作测点 430 个, 测点间距 20 25m, 控制点 31 个, 控制点间距 45m 左右。 在采动期间进行了 系统的观测与研究, 获得了相关的概率积分法岩移 预计参数、 角值参数和动态变形参数[5-8], 见表 2, 3, 4。 表 2 中 S 为拐点偏移距, m; H 为开采深 度, m。 表 2 概率积分法岩移预计参数 观测站 下沉 系数 q 水平移动 系数 b 主要影响角 正切 tanβ 拐点偏移 系数 S/ H 影响传播 角系数 K 王庄 62060． 820． 212． 70． 120． 7 王庄 43260． 870． 302． 80． 110． 6 司马 11010． 940． 283． 00． 100． 6 高河 w13030． 840． 232． 80． 070． 8 常村 s6-70． 800． 282． 70． 110． 8 表 3 岩层移动角值参数 观测站 边界角/ δ。β。 γ。 移动角/ δ。β。 γ。 裂缝角/ δ″β″γ″ 松散层移 动角/ 王庄 620666 596373 727480 77 8155 王庄 4326-64 61-68 70---55 司马 110162 59-71 68-77 79-50 高河 w130366-6274-7684-8455 常村 s6-762 60-70 68-79 77-55 表 4 动态地表变形参数 观测站 最大下 沉速度/ mmd -1 下沉速 度滞后 角 φ/ 地表移动持续时间/ d 初始期 活跃期 衰退期 累计 时间 司马 1101241． 074． 81060325395 王庄 6206144． 380． 117114180311 王庄 4326209． 774． 0690270366 高河 w130366． 279． 047235284566 常村 s6-776． 876． 033118269420 3 地表移动规律 3． 1 静态地表移动规律 图 1 地表下沉曲线 3． 1． 1 地表下沉盆地形态 根据实测资料, 求取了不同时期工作面地表的 移动变形值, 并绘制了地表下沉曲线图, 见图 1。 从图 1 可以看出, 在厚松散层综采放顶煤条件 下, 地表移动变形非常剧烈, 采空区正上方下沉值 大, 开采边界附近下沉曲线陡峭, 倾斜变形大, 边 界以外曲线比较平缓, 下沉值小, 但扩展范围大。 通过岩层移动角值参数同样可以看出, 边界角偏 小, 移动角、 裂缝角略大, 表明采动影响范围大, 但采动损害临界点范围较小。 通过对比各观测结果可知, 在厚松散层条件 下, 基岩厚度与下沉盆地的形态有一定关系, 基岩 越薄, 下沉曲线越陡, 基岩越厚, 下沉曲线越平 缓。 3． 1． 2 下沉系数 地表下沉系数与采煤方法、 顶板管理方法、 上 覆岩层岩性、 重复采动、 开采深度、 第四纪松散层 厚度等因素有关。 在其他条件基本相同时, 与基岩 厚度、 松散层厚度密切相关。 通过分析发现, 地表 下沉系数 q 与松散层厚度 h、 基岩厚度 H0之比 h/ H0呈线性关系。 其关系式如下 q 0． 764 0． 1017h/ H01 图 2 为地表下沉系数 q 与 h/ H0的相关曲线图。 从图中可知, 上覆地层中松散层厚度所占比重越 大, 地表下沉系数越大; 反之, 下沉系数越小。 3． 1． 3 水平移动系数 水平移动系数 b 主要与上覆岩层性质有一定的 关系, 与其他因素关系不大。 分析厚松散层条件下 地表移动系数 b 与松散层厚度 h、 开采深度 H 之比 h/ H 之间的关系见图 3。 其函数关系为 32 郑志刚等 厚松散层综放开采条件下地表岩移参数分析2016 年第 2 期 ChaoXing 图 2 q 与 h/ H0相关曲线 b 0． 2092h/ H 0． 1672 图 3 b 与 h/ H 相关曲线 3． 1． 4 主要影响角正切 主要影响角正切 tanβ 的大小与采煤方法、 顶 板管理方法、 上覆岩层、 松散层厚度等因素有关。 当采煤方法、 顶板管理方法基本相同时, 主要与煤 层上覆基岩、 松散层的厚度有关。 图 4 绘制了主要 影响角正切 tanβ 与松散层厚度 h 和上覆岩层 H0之 比 h/ H0的相关曲线。 关系式如下 tanβ 2． 607 0． 2176h/ H03 图 4 tanβ 与 h/ H0相关曲线 3． 1． 5 拐点偏移系数 通常, 拐点偏移系数 S/ H 与上覆岩层的岩性、 开采深度、 煤层倾角、 采动程度、 重复采动、 边界 煤柱的尺寸、 开采边界有无老采区等因素有关。 由 于厚松散层条件下, 浅部开采时其拐点偏移系数偏 小, 而在深部开采时其拐点偏移系数亦较小, 导致 拐点偏移系数规律性较差, 与地质采矿条件相关性 不明显。 3． 1． 6 开采影响传播系数 开采影响传播角 θ0取决于煤层倾角及开采影 响传播系数 K, K 主要与上覆岩层岩性、 煤层开采 深度等有关。 分析发现, 厚松散层下 K 与 H0呈对 数关系, 如图 5 所示。 其关系式如下 K 0． 145lnH0- 0． 0454 图 5 K 回归曲线 3． 2 动态地表移动规律 3． 2． 1 动态地表移动变形 表 5 列出了 1101, 6206, w1303 工作面的最大 动态和最大静态地表变形值。 可以看出, 在厚松散 层综放开采条件下动态地表变形值非常大, 远超一 般建筑物所能承受的地表变形值。 由表 5 可以看出, 最大动态倾斜值为静态倾斜 值的 0． 83 0． 89, 最大动态负曲率值为静态负曲 表 5 最大动态地表移动变形值与最大静态地表变形值 开采工作面 倾斜/ mmm -1 动态静态 曲率/ 10 -3 m -1 动态静态 水平变形/ mmm -1 动态静态 司马 110165． 977． 5-1． 60 1． 18-1． 74 1． 23-29． 2 23． 3-36． 1 28． 8 王庄 620637． 842． 4-0． 87 0． 68-0． 98 0． 78-12． 7 8． 0-18． 3 12． 4 高河 w130328． 634． 4-0． 58 0． 26-0． 93 0． 41-11． 4 4． 5-29． 5 10． 4 率值的 0． 62 0． 92, 最大动态正曲率值为静态正 曲率值的 0． 63 0． 96, 最大动态压缩变形值为静 态压缩变形值的 0． 39 0． 81, 最大动态拉伸变形 值为静态拉伸变形值的 0． 43 0． 81; 动态倾斜受 采深 或基岩厚度 的影响不大, 动态曲率与静 态曲率之比随采深 或基岩厚度 增大有所减小, 动态水平变形与静态水平变形之比则随采深 或 基岩厚度 增加显著减小。 3． 2． 2 地表最大下沉速度 地表下沉速度 Vm是反映地表动态变形的主要 指标, 它取决于煤层开采厚度、 开采深度、 煤层倾 角、 工作面推进速度、 上覆岩层岩性、 采煤方法和 顶板管理方法等因素。 通过对 5 个观测站实测资料进行分析发现, 地 表最大下沉速度 Vm与地表点的最大下沉值 Wm呈 正比, 与工作面推进速度的平方根 C 呈正比, 与 42 总第 129 期煤 矿 开 采2016 年第 2 期 ChaoXing 工作面平均采深 H0成反比。 其计算公式如下 Vm 4． 98 C H0 Wm5 式中, C 为工作面推进速度, m/ d; H0为工作面平 均采深, m; Wm为地表最大下沉值, mm。 3． 2． 3 下沉速度滞后角 地表最大下沉速度滞后角与开采深度、 煤层倾 角、 工作面推进速度、 上覆岩层岩性、 采煤方法和 顶板管理方法等因素有关。 经分析发现, 下沉速度滞后角 φ 与开采深度 H、 松散层厚度 h 及工作面推进速度 C 有关, 与 hC/ H 呈近似对数关系, 相关曲线见图 6。 其关 系式如下 φ - 5． 2812lnhC/ H 78． 9846 图 6 φ 与 hc/ H 相关曲线 3． 2． 4 地表移动延续时间 地表移动延续时间 t 与煤层开采深度、 煤层开 采厚度、 煤层倾角、 工作面推进速度、 采煤方法、 顶板管理方法、 上覆岩层岩性、 重复采动等因素有 关。 在厚松散层综放开采条件下, 地表移动活跃期 较短, 衰退期偏长, 但活跃期内地表累计下沉量所 占比重较大。 通过分析发现, 开采深度、 松散层厚 度对地表移动持续时间有明显的影响。 图 7 绘制了 地表移动延续时间 T 与 H, h 的相关曲线图。 其关 系式如下 T 31． 459 10 -4 Hh 252． 17 图 7 T 与 Hh 相关曲线 4 结 论 1 在厚松散层综采放顶煤条件下, 地表移 动盆地影响范围较大, 采空区上方下沉量大, 采空 区边界下沉盆地陡峭, 变形剧烈, 盆地边缘平缓, 边界角偏小, 移动角与裂缝角略大。 2 地表下沉系数、 主要影响角正切随松散 层厚度的增加而增大, 随基岩厚度的增加而减小; 水平移动系数随松散层厚度的增加而增大, 随开采 深度的增加而减小; 开采影响传播系数随基岩厚度 增加而增大。 3 动态倾斜受采深 或基岩厚度 的影响 不大, 动态曲率与静态曲率之比随采深 或基岩 厚度 增大有所减小, 动态水平变形与静态水平 变形之比则随采深 或基岩厚度 增加显著减小, 表明厚松散层综放开采下竖直方向的移动变形加 快, 水平方向上的移动变形则相对滞后。 4 地表下沉速度与地表最大下沉值成正比, 与工作面推进速度的平方根成正比, 与采深成反 比; 下沉速度滞后角与 hC/ H 呈近似对数关系; 地表移动持续时间与煤层开采深度、 松散层厚度有 关, 开采深度越大、 松散层越厚, 地表的移动持续 时间越长。 [参考文献] [1] 何国清, 杨 伦, 凌赓娣, 等 ． 矿山开采沉陷学 [M] ． 徐 州 中国矿业大学出版杜, 1991． [2] 徐乃忠, 戴华阳 ． 厚松散层条件下开采沉陷规律及控制研究 现状 [J] ． 煤矿安全, 2008, 39 11 53-55． [3] 郝延锦, 白志辉, 阎跃观, 等 ． 峰峰矿区不同开采条件下地 表沉陷规律 [J] ． 煤矿安全, 2013, 44 4 33-35． [4] 王其芳 ． 矿区岩移参数规律研究 [J] ． 有色金属 矿山部分, 2007, 59 5 31-32． [5] 郑志刚, 易四海, 滕永海 ． 厚黄土层下综放开采地表移动观 测与数值模拟分析 [J] ． 煤矿开采, 2013, 18 5 73-75． [6] 易四海, 郑志刚, 滕永海 ． 厚松散层条件下综放开采地表沉陷 规律与机理 [J] ． 煤矿开采, 2011, 16 4 9-12． [7] 张君正, 郑志刚 ． 高河煤矿厚煤层综放开采地表沉陷规律实 测研究 [J] ． 矿山测量, 2013 3 12-13． [8] 郑志刚 ． 厚黄土层薄基岩综放开采地表移动规律研究 [J] ． 煤炭技术, 2014, 32 4 132-134． [9] 杨俊彩 ． 浅埋深厚煤层柔模混凝土沿空留巷矿压规律研究 [J] ． 煤炭科学技术, 2015, 43 S1 29-32． [10] 谢和平, 王金华, 姜鹏飞, 等 ． 煤炭科学开采新理念与技术 变革研究 [J] ． 中国工程科学, 2015, 17 9 36-41． [11] 程 详, 赵光明, 孟祥瑞 ． 上提综采面破碎顶板片帮冒顶分 析与控制技术研究 [J] ． 西安科技大学学报, 2012, 32 4 420-426, 433．[责任编辑 李 青] 52 郑志刚等 厚松散层综放开采条件下地表岩移参数分析2016 年第 2 期 ChaoXing