巨厚白垩系砂岩下地表移动规律观测研究_余学义.pdf

巨厚白垩系砂岩下地表移动规律观测研究 余学义1,2, 刘俊杰1,2, 郭文彬1,2, 许文强1,2 1． 西安科技大学 能源学院, 陕西 西安 710054; 2． 教育部西部矿井开采与灾害防治重点实验室, 陕西 西安 710054 [摘 要] 针对彬长矿区开采煤层覆岩上段厚黄土层、 厚洛河组砂岩的特殊条件, 在亭南煤矿 进行了地表移动观测。 观测数据分析表明, 洛河组砂岩对地表移动变形起着控制作用, 在极不充分开 采条件下, 地表移动很小, 下沉率仅为 0． 046, 地表变形微弱, 不会对地表建筑设施造成损坏; 在接 近充分采动条件下, 地表移动增幅较大, 变形明显, 下沉率达到 0． 22, 但远未达到最大下沉值; 非充 分采动沉陷范围与充分采动基本一致, 黄土层的移动角大小取决于黄土层厚度和坡度。 [关键词] 白垩系砂岩; 地表移动; 非充分采动; 角值参数 [中图分类号] TD325． 4 [文献标识码] A [文章编号] 1006-6225 2016 02-0015-03 Surveying of Surface Movement Rule with Giant Thick Cretaceous Sandstone YU Xue-yi1,2, LIU Jun-jie1,2, GUO Wen-bin1,2, XU Wen-qiang1,2 1． Energy 2． Education Ministry Key Laboratory of West Mine Mining surface movement; inadequate mining; angle parameter [收稿日期] 2015-08-19[DOI] 10． 13532/ j． cnki． cn11-3677/ td． 2016． 02． 005 [基金项目] 高等学校博士学科点专项科研基金资助项目 20106121110003; 陕西省自然科学基金 2011JS005; 陕西省岩层控制重点实 验室项目 13JS066 [作者简介] 余学义 1955-, 男, 陕西定边人, 教授, 博士生导师, 从事采动损害及防护方面的教学与研究工作。 [引用格式] 余学义, 刘俊杰, 郭文彬, 等 ． 巨厚白垩系砂岩下地表移动规律观测研究 [J] ． 煤矿开采, 2016, 21 2 15-17, 14． 彬长矿区开采的 4 号煤层属于黄陇侏罗纪煤 田, 从煤层顶板至地表, 覆岩赋存顺序依次为侏罗 系延安组、 安定组, 白垩系, 新近系, 第四系。 开 采煤层覆岩结构特殊 白垩系砂岩厚度一般均在 100 300m 范围, 在亭南二盘区观测区洛河组砂岩 厚度为 231． 46 312． 80m; 地表为黄土残塬地貌, 沟壑切割严重。 洛河组巨厚砂岩位于开采煤层覆岩 上段、 岩性较硬, 其对地表沉陷起控制作用, 表土 层厚度及地形对地表移动变形也影响较大[1-2], 地 表移动特征是表土层与洛河组砂岩运动的耦合结 果[3-8]。 针对彬长矿区这种特殊地层结构条件下地 表移动规律的观测研究不多, 已有的观测研究均在 单一工作面开采条件下进行[9]。 本文通过对亭南 煤矿连续开采 2 个工作面的地表移动观测数据分 析, 给出彬长矿区白垩系巨厚洛河组砂岩和黄土沟 坡地表条件下的地表移动规律, 为彬长矿区的开采 损害防治提供可借鉴的参数。 1 观测区地质地形条件 观测区为亭南煤矿二盘区 204, 205 工作面。 205 为 204 接替工作面, 工作面之间留有 30m 区段 煤柱。 开采侏罗系 4 号煤层, 煤层平均厚度 17m, 倾角 2, 煤层埋深 475 693m, 平均 575m。 204, 205 工作面宽度均为 200m, 采用分层综采方法开 采, 分层开采厚度为 5 6m。 根据钻孔数据, 观测 区洛河组砂岩厚度为 231． 46 312． 80m。 地表为黄 土沟壑地形, 黑河流经开采工作面对应地表中、 北 部。 2 地表移动观测站布设 受地表地形及黑河河道影响, 在开采影响地表 范围布置 2 条倾斜观测线。 A 线距 205 工作面开切 51 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 眼 300m, 沿倾斜方向投影长度 840m, 布设 A1 A27 共 27 个测点, 测点间间距 30m; B 线距 204 工作面开切眼 175 487m, 沿倾斜方向投影长度 784m, 布设 B1 B31 共 31 个测点, 测点间间距 30m。 观测站布设见图 1。 图 1 地表移动观测站布设 3 204 工作面开采地表移动规律 根据 B 观测线观测数据分析, 204 工作面开采 后, 地表移动分布如图 2 所示。 最大下沉值 Wmax 246mm, 下沉率 q′0． 246/5． 3 0． 046。 最大水平 移动为 u83mm, 最大水平移动与最大下沉的比值 b0． 083/0． 2460． 337。 地表未出现裂缝破坏, 地 表变形破坏在Ⅰ级范围内, 黄土沟壑边坡稳定。 根 据极不充分采动条件分析[10], 工作面的东北塬面 位置, 开采宽度与开采深度之比小于 1/3, 属于极 不充分采动; 而位于河滩和沟坡的部分, 埋深浅, 为非充分采动。 但是受洛河组砂岩控制作用, 204 工作面开采后地表移动变形值均小于临界变形值, 综合边界角为 56． 5, 地表移动变形表现为极不充 分特征。 地表移动变形最大值见表 1。 图 2 B 线地表移动分布规律 表 1 倾斜、 曲率、 水平变形的最大值 变形参数绝对值最大值临界变形值 i/ mmm -1 2． 903． 0 K/ 10 -3 m -1 0． 130． 2 ε/ mmm -1 0． 762． 0 4 204, 205 工作面开采地表移动规律 205 工作面开采后, 开采宽度达到 430m, 属 于接近充分采动条件[11]的非充分采动。 205 工作 面开采期间对地表 A, B 2 条观测线进行了观测, 根据观测数据对比计算分析, 获得了地表移动基本 规律及其参数。 4． 1 A 线确定的地表移动参数 A 线观测的地表点下沉与水平移动规律, 如图 3 所示。 地表下沉最大值 Wmax900mm, 位于 A27 点, 距开采边界150m。 下沉率 q′0． 9/5． 50． 16。 地表最大水平移动值达到 u 187mm, 位于 A21 点, 距开采边界-30m, 最大水平移动与最大下沉 的比值 b0． 187/0． 90． 207。 应用插值法确定了地表综合边界角为 56． 05, 地表综合移动角为 65． 67。 图 3 A 线地表移动分布规律 4． 2 B 线确定的地表移动参数 B 线观测的地表点下沉与水平移动分布规律, 如图 2 所示。 地表下沉最大值 Wmax 1177mm, 位 于 B6 点, 距 开 采 边 界 - 172． 7m, 下 沉 率 q′ 1． 177/5． 30． 22。 地表最大水平移动值达到 u - 687． 2mm, 位于 B13 点, 距开采边界-26m, 最大 水平移动与最大下沉的比值 b 0． 6872/1． 177 0． 58。 同样应用差值法, 确定地表综合边界角为 54． 11, 综合移动角为 61． 12。 4． 3 黄土层和基岩的移动角值分析 如图 4, 求得松散层边界角和基岩边界角的函 数关系如下 hcotφ Hcotδ0 L 1 式中, h 为边界点处松散层厚度, m; H 为边界点处 基岩厚度, m; φ 为松散层边界角, ; δ0为基岩 边界角, ; L 为边界点到开采边界的水平距离, m。 61 总第 129 期煤 矿 开 采2016 年第 2 期 ChaoXing 图 4 松散层边界角和基岩边界角的关系 根据式 1, 以 A 线、 B 线为基础建立关于 边界角的联立方程式 2、 3, 由于 A 线、 B 线 所在区域基岩岩性相同, 厚度大致相等, 因而由 A 线确定的基岩边界角和由 B 线确定的基岩边界角 是相等的, 即均为 δ0, 同理 A 线、 B 线确定的基 岩移动角也是相等的, 均为 δ 。 hAcotφA H Acotδ0 L A 2 hBcotφB H Bcotδ0 L B 3 式中, hA, HA, LA, hB, HB, LB为已知量, 其分 别为 两观测线边界角、 移动角位置的土层厚度、 基岩厚度和距开采边界的距离, φA, φB, δ0为未知 量; φA, φB分别为 A, B 观测线土层移动角。 参照上述关系式, 得松散层移动角和基岩移动 角的函数关系为 h′cotφ H′cotδ0 L′ 4 式中, h′ 为临界变形点处土层厚度; H′ 为临界变形 点处基岩厚度; φ 为土层移动角, 一般情况下土层 边界角和移动角相等; δ 为基岩移动角; L′ 为临界 变形点到开采边界的水平距离。 以 A, B 观测线为基础建立关于移动角的联立 方程 hA′cotφA H A′cotδ LA′ 5 hB′cotφB H B′cotδ LB′ 6 式中, hA′, HA′, LA′, hB′, HB′, LB′ 为 已 知 量, φA, φB, δ 为未知量。 综合以上 2 个联立方程, 即可以解出 φA, φB, δ0, δ 值。 求 得 φA 42, φB 45, δ0 56． 5, δ 65． 7 。 相关角值参数见图 2、 图 3 中 标注。 5 地表移动变形特征分析 对比分析表 2 中 204 和 205 工作面开采地表移 动参数特点如下 1 204 工作面开采地表移动很小, 下沉率仅 为 0． 046, 地表变形在Ⅰ级范围以内, 尽管开采条 件属非充分采动, 但是地表移动变形表现为极不充 分开采地表移动变形特征, 主因是巨厚洛河组砂岩 位于覆岩上段, 将下位岩层移动变形转变为洛河组 砂岩的挠曲变形, 204 一个工作面开采时, 地表移 动变形是洛河组砂岩的挠曲变形的基本形态。 2 205 工作面开采后, 已接近充分采动条 件, 地表移动增幅较大, 下沉率达到 0． 22, 变形 明显, 综合移动角达到 61． 12, 但地表下沉值远 未达到该条件下的最大下沉值, 同样说明巨厚洛河 组砂岩对地表移动变形起着控制作用。 3 由图 2、 图 3 对比 205 工作面开采 A, B 观测线地表移动和松散土层厚度、 坡度变化, A 线 一侧松散层厚度为 0． 5 26． 2m, B 线一侧松散层 厚度为 115m, 在较大厚度黄土层重力加载作用下, B 线一侧下沉率要大, 即 qB′ qA′ ; 受松散层厚 度及坡度影响, 松散层厚度越大、 坡度越缓, 松散 层移动角越大, φB φA; B 线观测表明 204 工作 面开采与 205 工作面开采引起地表沉陷范围基本一 致, 说明在巨厚洛河组砂岩控制条件下, 非充分采 动的影响范围接近于充分采动条件下影响范围。 204 和 205 工作面观测线地表移动参数对比见表 2。 表 2 地表移动参数对比 观测线q′bδ0综δ0δ综δφ 204 开采B 线 0． 0460． 337 56． 50---- 205 开采A 线 0． 1600． 337 56． 05 56． 5 65． 67 65． 7 42 205 开采B 线 0． 2200． 580 54． 11 56． 5 61． 12 65． 7 45 6 结 论 1 根据 204 和 205 工作面开采地表移动观 测数据分析得出, 在极不充分采动条件下的下沉率 为 0． 046, 综合边界角为 56． 5; 接近充分采动条 件下的下沉率为 0． 22, 综合边界角为 54． 11, 综 合移动角为 61． 12; 采用解析法得出基岩移动角、 边界角分别为 65． 7, 56． 5; 开采区东侧厚而平 缓黄土层移动 边界 角为 45, 西侧缓坡薄土层 移动 边界 角为 42; 非充分采动沉陷范围与充 分开采基本一致。 2 巨厚洛河组砂岩控制着地表的移动变形。 开采煤层上覆岩层移动变形发育到洛河组砂岩时, 这种移动变形转变为洛河组砂岩挠曲变形, 地表移 动变形受洛河组砂岩的挠曲变形控制。 3 地表黄土层厚度、 坡度对地表移动影响 较大。 黄土层厚度越大, 重力加载越大, 下沉率也 越大。 黄土层厚度大、 坡度缓条件下黄土层移动角 下转 14 页 71 余学义等 巨厚白垩系砂岩下地表移动规律观测研究2016 年第 2 期 ChaoXing 3 利用矿区的下沉典型曲线, 采用最小二 乘拟合法建立参数 a, b 与采动影响系数之间的回 归方程, 将其用于确定任意采动影响程度下参数 a, b 的数值, 具有有效性和实用性。 应当指出, 负指数函数法的预计参数 a, b 除 了与采动影响程度密切相关之外, 还与煤层倾角和 上覆岩层的性质有关, 因此, 本文建立的参数 a, b 与采动影响系数之间的回归方程, 只适用于峰峰 矿区和地质采矿条件与之类似的矿区。 在其他矿 区, 可以利用其下沉典型曲线, 采用本文提出的方 法建立参数 a, b 与采动影响系数之间的回归方程。 另外, 负指数函数法仅适用于矩形或接近于矩形的 采区。 [参考文献] [1] P． P． Bahuguna a, A． M． C． Srivastava a and N． C． Saxena． A criti- cal review of mine subsidence prediction s [ J] ． Mining Science and Technology, 1991, 13 91 369-382． [2] 郭广礼, 王悦汉, 马占国 ． 煤矿开采沉陷有效控制的新途径 [J] ． 中国矿业大学学报, 2004, 33 2 150-153． [3] 邹友峰, 胡友健, 郭增长 ． 采动损害与防护 [M] ． 徐州 中 国矿业大学出版社, 1996． [4] A Chrzanowski, AS Chrzanowski． Comparison of empirical and de- terministic prediction of mining subsidence [ J] ． International Journal of Rock Mechanics 黄土层薄、 坡角大条件下黄土层移动角 相对较小。 [参考文献] [1] 许延春, 耿德庸, 梁京华, 等 ． 分段划分巨厚松散层移动角 参数的方法 [J] ． 煤炭学报, 1996, 21 4 383-387． [2] 宋新华, 邓喀中, 闫跃观, 等 ． 地形对地表移动变形的影响 分析 [J] ． 矿山测量, 2007 3 70-72． [3] 许家林, 钱鸣高 ． 关键层运动对覆岩及地表移动影响的研究 [J] ． 煤炭学报, 2000, 25 2 122-126． [4] 许家林, 钱鸣高, 朱卫兵 ． 覆岩主关键层对地表下沉动态的 影响研究 [J] ． 岩石力学与工程学报, 2005, 24 5 787- 791． [5] 刘玉成, 曹树刚 ． 基于关键层理论的地表下沉盆地模型初探 [J] ． 岩土力学, 2012, 33 3 719-724． [6] 高明中 ． 关键层破断与厚松散层地表沉陷耦合关系研究 [J]. 安徽理工大学学报 自然科学版, 2004, 24 3 24-27． [7] 朱卫兵, 许家林, 施喜书, 等 ． 覆岩主关键层运动对地表沉 陷影响的钻孔原位测试研究 [J] ． 岩石力学与工程学报, 2009, 28 2 403-409． [8] 许家林, 连国明, 朱卫兵, 等 ． 深部开采覆岩关键层对地表 沉陷的影响 [J] ． 煤炭学报, 2007, 32 7 686-690． [9] 杨福军 ． 巨厚白垩系砂岩含水层下综放开采覆岩及地表移动 实测分析 [J] ． 煤矿开采, 2014, 19 2 95-97, 41． [10] 郭增长, 韩六合, 邓智毅, 等 ． 极不充分开采地表移动和变 形特征 [J] ． 矿山测量, 2002 2 55-57． [11] 余学义, 张恩强 ． 开采损害学 [M] ． 北京 煤炭工业出版 社, 2010． [责任编辑 施红霞] 41 总第 129 期煤 矿 开 采2016 年第 2 期 ChaoXing