大采深厚松散层开采地表沉陷特征.pdf

煤炭工程 2 0 0 8 年第 1 2 期 大采深厚松散层开采地表沉陷特征 李春意 ，崔希民 ，郭增长 ，袁德宝 ，韩志晟 1 ．中国矿业大学 北京资源与安全工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ．河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作4 5 4 0 0 0 摘要基于地表沉陷的观测数据，分析了极不充分开采移动和动态下沉特征，计算了极不 充分X - 作面开采程度和下沉盆地的范围，详细描述了极不充分开采地表变形以及拐点位置。表明 大采深厚松散层开采条件下，在上山方向下沉盆地的边缘即使下沉值很小，也会产生较大的水平 移动；极不充分开采时地表下沉盆地十分平缓，且位置偏向上山方向；下沉盆地的拐点位于煤柱 的上方而非采空区上方。对于指导相似地质条件下开采，解放建筑物下压煤具有较大的实用价值 和指 导 意义。 关键词极不充分开采；地表沉陷；深部开采；地表移动规律 中图分类号 T D 8 2 3 ． 8 4 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 0 8 1 2 - 0 0 9 4 - 0 4 S ur f a c e s u bs i de nc e c ha r a c t e r i s t i c s d ue t o de e p mi n i n g wi t h t hi c k a n d b r o ke n o v e r b ur de n L I C h u ny i ， C UI Xi mi n ， G UO Z e n gz h a n g ，YUAN D eb a o ， HAN Z h i c h e n g 1 ． S c h o o l o f R e s o u r c e s a n d S a f e t y E n g i n e e r i n g ，C h in a U n i v e r s i t y o f M i n i n g a n d T e c h n o l o g y ，B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f S u r v e y i n g ，Ma p p i n g a n d N a t i o n a l L a n d I n f o r ma t i o n E n g in e e r i n g ，H e n an P o l y t e c h n i c U n i v e rsi t y ，J i a o z u o ，5 4 0 0 0，C h i n a Ab s t r a c t Ba s e o n t h e o b s e r v a t i o n d a t a o f t h e s u r f a c e g r o u n d s u b s i d e n c e ， t h e p a p e r a n a l y z e d the d i s p l a c e me n t a n d d y n a mi c s u b s i d e n c e f e a t u r e s u n d e r t h e u l t r a u n c o mp l e t e d mi n i n g ． T h e p a p e r c a l c u l a t e d t h e u l t r a u n c o mp l e t e d f a c e mi n i n g d e gre e a n d t h e s u b s i d e n c e b a s i n a r e a ． T h e p a p e r i n d e t a i l s t a t e d t h e s u rf a c e gro u n d d e f o r ma t i o n a n d t h e t u r n i n g p o i n t l o c a t i o n u n d e r t h e u l t r a u n c o mp l e t e d mi n i n g ． U n d e r t h e c o n d i t i o n s o f t h e mi n i n g i n t h e s e a m wi t h d e e p mi n i n g d e p t h a n d t h i c k o v e r b u r d e n，the b o u n d a r y of the s u b s i d e n c e b a s i n e v e n wi th a s ma l l s u b s i d e n c e v a l u e a t t h e r i s e d i r e c t i o n c o u l d h a v e a l a r g e h o r i z o n t a l d i s p l a c e me n t ．Un d e r t h e c o n d i t i o n o f t h e u l t r a u n c o mp l e t e d mi n i n g ， t h e s u rf a c e gro u n d s u b s i d e n c e b a s i n wo u l d b e g e n t l y fi a t a n d t h e l o c a t i o n wo u l d b e f o r wa r d t o t h e r i s e d i r e c t i o n ． T h e t u rni n g p o i n t o f t h e s u b s i d e n c e b a s i n w o u l d b e l o c a t e d a b o v e t h e p i l l a r n o t a b o v e t h e g o a f ．T h e a b o v e wo u l d h a v e t h e a c t u a l v a l u e a n d g u i d a n c e t o t h e c o a l mi n i n g u n d e r t h e s i mi l a r g e o l o c a l c o n d i t i o n s a n d t 0 c o al mi n i n g u n d e r t h e b u i l d i n g s t r u c t u r e s ． Ke y wo r d s u l t r a u n c o mp l e t e d mi n i n g ； s u r f a c e gro u n d s u b s i d e n c e ； d e e p mi n i n g；s u rf a c e gro u n d d i s p l a c e me n t l a w． 随着我国经济的快速发展，煤炭需求量逐年加大，煤 炭开采逐渐向深部延伸。尤其是我国东部矿区，矿山深部 开采情况更为突出。如开滦赵各庄矿开采深度为 1 1 5 9 m、 北京门头沟开采深度为 1 0 0 8 m等。目前我国煤矿开采深度 以81 2 r n ／ a的速度增加，东部矿井更是以每 1 0年 1 0 0～ 2 5 0 m的速度发展 。如果按照浅部开采地表移动规律 ， 在建筑物下采煤时，根据地质采矿条件以岩层移动角为依 据来留设受护建筑物保护煤柱 ，所 留设的保护煤柱将会随 着开采深度的增加越来越大，导致建筑物下压滞的煤炭量 也急剧增加 J 。按我国目前普遍采用的走 向长壁采煤方 法 ，在深部开采时，工作面在倾斜方 向上容易达到极不充 分开采 ，实测资料表明，极不充分采动条件下地表移 动和变形规律与充分采动或非充分采动条件下的规律相比 发生了较大的改变。研究深部开采，尤其是大采深厚松散 层下开采地表移动和变形特征，对于解放建筑物下压滞的 大量煤炭，缓解我国目前能源紧缺的现状具有重要意义。 1 矿井概况 本论文研究的对象为林南仓矿业公司一6 5 0 m水平东二 小采区工作面。采区内地面村庄密集，包括东六村、焦庄 收稿 日期 2 0 0 8 0 7 2 9 基金项目国家重点基础研究发展计划资助 2 0 0 7 C B 2 0 9 4 0 0 ，矿山空间信息技术国家测绘局重点实验室开放基金资助 K L M 2 0 0 8 1 6 作者简介李春意 1 9 7 9一 ，男，河南周口人，博士研究生 ，主要从事开采沉陷方面的研究。 2 0 0 8 年第 1 2期 煤炭工程 子和五村等 3个村庄和一个煤站，建下压煤非常突出。为 了更好地研究深部开采地表移动规律，找出极不充分开采 地表移动特征，解放建 构 筑物下压煤 ，根据极不充分开 采地表沉陷理论 ，在村庄外围布置了条带开采工作面进 行试采。工作面布设时共涉及两层煤 1 1煤和 1 2煤，1 2煤 层设计 2 2 2 2 、2 2 2 4和 2 2 2 6三个 工作面 ，平均煤 层厚度 4 ． 8 m。1 1煤层设计四个工作面，平均煤厚 4 ． O m，质软。两 煤层间距 2 7 m，煤层倾角为 8～ 2 5 。 ，平均为 l 7 。 ，两煤层顶 底板均为粉砂岩和细砂岩。l 2煤工作面布置状况如图 1所 示。采区第 四系松散层平均厚度 2 2 0 m，上覆岩层以粗砂 岩、细纱岩、粉砂岩互层为主 ，没有特别坚硬的厚岩层， 平均厚度 3 5 0 m。煤层开采深度 5 2 5 6 3 5 m，走向长壁后退 式采煤，一次采全厚综合机械化轻型放顶煤，全部垮落法 管理顶板。考虑到深部开采条件下矿压 比较显著，为了给 上层 1 1 煤开采卸压，优先开采位于下部的 1 2煤层。目前， 该矿仅 开采了 1 2煤部分层，开采顺序为 2 2 2 2 、2 2 2 4和 2 2 2 6工作面。故仅对 1 2煤层开采地表移动与变形规律进行 分析。工作面相关参数如表 1 。 表 1 回采工作面参数 - j _ I 一 ’ j I 7／ 噍 ／ ． C -／ A ／ 多 ／ h ／ 参 融 r／ ／ r 1 - 1 0 图1 观测站与l 2煤工作面位置 2地表移动与变形规律实测研究 2 ． 1 地表移动观测站的布设 为了研究该矿地表移动的基本规律，特别是厚冲积层 深水平下开采对建筑物的波及情况，在工作面开始 回采前 ， 针对东二小采区地表地形设置了地表移动观测线 ，观测线 主要有三条，其 中倾斜观测线总长 1 1 2 0 m，共计 5 4个测 点，测点间距平均2 0 m；从 2 8号测点开始沿着2 2 2 2工作面 向西有一观测线 ，共计 8个测点；顺着地面公路有一基本 沿煤层走 向方向的观测线。观测站位置及其与 l 2煤采区工 作面位置关系如图 1 所示。受地形和矿区实际条件的限制， 在矿区地表布设地表移动观测站时，只在采区工作面倾斜 方向上布设了完整的观测线。因此，在分析实测数据求取 地表移动相关参数时只分析倾斜观测线方向的数据。 2 ． 2地表 下沉与水平移动观测 首采工作面于 2 0 0 3年 l O月 2 0日进行首次观测，以后 每月观测一次，2 2 2 2工作面开采后地表测点移动过程曲线 如图2 。由此可以看出，随着工作面开采范围的扩大，地表 下沉值也随之增大。通过实地监测 ，工作面由开切眼推进 1 0 o m时，沉陷开始波及到地表，由此可知该地质采矿条件 下工作面起动距为 l O O m，约为开采深度的 1 ／ 5 ，而一般情 况下，工作面起动距为 1 ／ 4～1 ／ 2 。2 2 2 2工作面回采结 束后，最大下沉为 3 3 2 m m，对应的最大下沉点为 2 5号测 点；以下沉 l O m m计，上山方向波及 5 2 0 m，下山方向波及 3 9 0 m，建筑物无任何变形破坏。2 O o 4年2月 9日在下沉盆 地边缘4 8号测点至 5 4号测点间开始观测到下沉异常，首 采工作面回采结束后 ，在下沉盆地边缘形成了一个最大下 沉为 1 9 9 m m，倾向断面长度约为 1 4 0 m的小沉陷盆地。通过 现场观测，对应地表有一条平行于工作面走向的裂缝，地 表裂缝宽 l O e m，并伴有倒台阶产生，台阶落差 3 e m左右。 这种异常现象与地下采矿有直接关系，地表下沉由基岩下 沉与开采造成的含水松散层的固结压缩沉降盆地相互叠加 形成了复合下沉盆地 。2 2 2 4工作面回采后 ，在地表下沉 盆地的边缘虽然下沉值较小 ，仍然出现了很大的水平移动 ， 如图3 。4 8号测点的下沉为5 9 ra m，而该点的水平移动达到 了2 7 1 m m，由于开采深度 以及松散层厚度较大 ，基岩作用 于地表产生的拉伸变形在致使地表产生较大的裂缝。 1 0 o 0 ．1 0 o 建。2 o 0 ．3 0 0 ．4 0 0 ．5 0 0 { 4 i 5 4 X目0c --_ H 妒 l ● 多 ‘ H ． 努 0 观 测 站 一 ◆一 2oo3．12．1 一 x一 2o04．1．17 一 一 2 0 0 4 ．2 ．9 2 0 0 4 _ 3 ．5 ★ _ - 2 0 0 4 ．4 ．5 2 0 o 4 ． 5 l3 1 2 2 2 2 工 作 I I 』 ．2 0 0 ． 1 0 o 0 1 0 0 2 0 0 3 0 o 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 o O 距离开采 边界的距离／ m 图 2 2 2 2 2工作面开采地表下沉 9 5 重 蓬 是 墨 殂 煤 炭 -r-程 2 0 0 8 年 第1 2 期 ● ● ● ● ● ● ． ． I’头 小 修 刨 I - ● ’ ． -。 ．1 ● ●● 一 ．十一 ．． ． ． t． ． ． - ． ． ‘1 ’ l l ； 二 j _ 下 。r 一 ．．r r I ．1 一 l I I i． ． r I l I _ ． | r r l { { ，r 一 一 实 测 下 沉l- l l 2 4 薄 2 2 I 2 作 } { i ＼l -4 O 0． 3 0 0． 2 0 0． 1 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 距开采边界的距离／ m 图 3 2 2 2 4工作面开采地表下沉与水 平移动 2 ． 3 地表 沉 陷盆地 形 态 由文献 [ 3 ]知，在上覆岩层为中硬互层型岩层时，当 采动程度大于 0 ． 8时工作面达到了充分开采，而小于或等 于0 ． 8时的开采属于非充分开采。因此，2 2 2 2工作面走向 方向达到了充分采动，而倾斜方 向的采动程度系数仅为 0 ． 1 0 9 ，属于极不充分开采。同样 ，对于 2 2 2 4工作面，走 向、倾向方向采动程度系数分别为0 ． 9 8和 0 ． 1 0 3 ，走向方 向为充分开采，而倾向方向为极不充分开采。 现以下沉 1 0 ra m的点作为地表下沉盆地的最外边界点 ， 来确定极不充分开采条件下地表下沉盆地的范围。在仅开 采 2 2 2 2工作面的情况下 ，如果不考虑下沉盆地边缘出现的 异常下沉，通过插值计算，可以求得上、下山方向的综合 边界角。同理，2 2 2 4工作面开采后综合边界角也可以求出， 如表2 。2 2 2 4工作面开采后，上山方向地表移动盆地的范 围变化很小 ，而在下山方向移动盆地范围向外稍有扩展。 两工作面开采相 比，虽然最大下沉值 由3 3 2 m m增加到了 6 4 5 mm，下沉值增加了一倍左右，但下山方向边界角仅减 小了，上山方向边界角仅减小了。因此，极不充分开采时， 开采面积的减小并不能有效的限制沉陷盆地的范围，加上 地表下沉值较小，下沉盆地十分平缓 ，这一特点对建筑物 下压煤开采非常有利。 此外，在倾向主断面上与地表最大下沉点位置有关的 岩移参数是最大下沉角，最大下沉角的大小与上覆岩层的 岩性有关。在厚松散层条件下开采时，它有向地表沉陷盆 地上山方向偏移的现象。通过实测资料分析，求得 2 2 2 2工 作面开采后地表最大下沉角为 8 7 ． 5 l o 3 。这与淮北矿区、 徐州矿区厚松散层下开采时最大下沉角值相一致 ] ，即 96 上、下山边界角相差不大，地表下沉盆地位置偏 向下山方 向的程度较小。 基 k 8 ‘L ／ ＼ 4 8 _ 4 I ． ～ _ r ． ． ／ ＼ ● 沉 地 点 眶 ． ． ．● F 盆地 点j 巨 离 L -- I 十I r_ 1 I ‘m h 田 1 n． L u I n ,I 米 l九 m ．3 0 o． 2 o o一 1 0 0 0 1 0 0 2 o 0 3 0 0 4 0 0 5 0 o 6 0 o 7 o 0 8 0 0 距离工作面开采边界的距离， m 图 4 2 2 2 2工作面开采后地表下沉与倾斜变形 4 8 | ／＼_ 、／＼ ． ． 、 一 8 l 厂 1， 、 } 。 ／ 一 ～ 下沉盆地 ． 另 J ／ 下 沉 蛊 地 拐 点 喃 下 山 方 向 卜 山 疗 向 开 采 j 界 9 0 n l 枯 { h 的耳 窟 部件 6 ．0 2 2 4 工作 酊 2 2 2 2 [ 作 】 ＼ ／ 距开采边界的距离／ mm 图 5 2 2 2 4工作面开采后地表下沉与倾斜变形 2 ． 4 地表下沉和倾斜变形规律研 究 图4和图5给出了2 2 2 2 、2 2 2 4工作面开采后地表实测下 沉值和倾斜变形值。可以看出，2 2 2 2工作面开采完后，地表 的倾斜变形值较小，实测最大正、负倾斜变形值分别为 2 ． 4 m m ／ m和一1 ． 6 m r n ／ m，均小于 规程规定的建筑物的I 级临界变形值。由此可以得出，仅开采 2 2 2 2 工作面，不需 要采取特别措施 ，实现一般建 构 筑物下压煤开采是完全可 行的。2 2 24 工作面采完后 ，地表的倾斜变形值较小，实测最 大正、负倾斜变形值为 3 ． 8 9 m m ／ m和 一 2 ． 5 2 m m ／ m，上山方 向的地表最大倾斜变形刚刚超过 规程规定的I 级采动损 害范围，而下山方向的地表最大倾斜变形小于I 级采动损害 一 Ⅲ ／ 目Ⅲ 蒜娶 栅 瑚 。 瑚 砌 枷 姗 ㈣ I I I Ⅲ／ 彻枷 0 础删 枷 枷 抛。彻硼枷舢 I I r u J ／ I I l Ⅲ ／ 2 0 0 8年第 1 2期 煤炭工程 程度。地表的最大下沉值也从 3 3 2 m m达到了 6 4 5 m m，对应 的最大下沉点为2 3号测点，与其相邻的2 2 、2 4和 2 5号测点 的下沉值分别为6 4 0 1 n i n 、6 4 0 r n m和 6 3 2 m m，它们的下沉值非 常接近，下沉盆地出现了6 o m左右近乎平底的部分。不难推 断，2 26工作面开采结束后 ，平底部分 的范围将进一步增 加。由此可以得出，条带开采情况下，合理设计采留宽，在 满足煤柱稳定的前提下，在建 构 筑物下采煤时，能使地表 出现统一的沉降盆地。 2 ． 5 下沉盆地拐点特征 按照概率积分法，如果将地表下沉盆地 中达到最大下 沉值一半的点作为下沉盆地 的拐点，由实测资料可以确定 出倾斜观测线下沉盆地拐点的位置 ，如图4所示 。2 2 2 2工 作面开采后，在倾斜方向地表下沉盆地 的拐点均位于煤柱 的上方 。 由以上分析可以看出，当地表的采动程度为极不充分 采动时，地表下沉盆地拐点的位置位于煤柱的上方。理论 与实测资料表明，在不同的采动程度下 ，地表下沉盆地拐 点的位置也不相同 7 1 。随着采动程度的扩大，下沉盆地拐 点的位置逐渐向采空区一侧移动，在充分开采条件下，地 表下沉盆地的拐点一般偏向采空区一侧。 3结论 1 根据有效应力原理，厚含水松散层下开采时，在上 山方向下沉盆地的边缘即使下沉值很小 ，也会产生较大的 水平移动。两工作 面开采上、下山方 向边界角很 接近； 2 2 2 工作面采完后 ，最大下沉角为 8 1 。 5 。 ，地表下沉盆地 偏向下山方向的程度较小。 2 两个极不充分开采工作面对地表下沉的贡献率几乎 是相同的，下沉盆地出现了约 6 0 m左右的平底的部分，工 作面之间的隔离煤柱把两个极不充分开采工作面隔离成相 互 独立的 回采空 间。 3 开采两个极不充分工作面与开采单个工作面相 比， 移动盆地的范围并没有显著增大，地表下沉盆地比较平缓； 地表下沉盆地的拐点出现在煤柱的上方，地表倾斜变形小 于 规程规定的 I级采动损害程度，不需采取任何措施 能够实现建筑物下煤炭资源的安全回采。 参考文献 [ 1 ] 谢和平．深部资源开采诱发的工程灾害与基础科学问题 [ A ] ． 谢和平，彭苏萍，何满朝．深部开采基础理论与工 程实践 [ c ] ．北京 科学出版社 ， 2 0 0 6 ．3 ～ l 4 ． [ 2 ] 谢和平 ，彭苏萍 ，何满潮．深部 开采基础 理论与工 程实践 [ M] ．北京 科学出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 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，2 0 0 0 ． [ 4 ] 陈俊杰，邹友峰．深部开采条件下保护煤柱备用尺寸的确 定方法 [ J ] ．煤炭工程 ，2 0 0 5 7 3 2～ 3 3 ． [ 5 ] 何国清，杨伦 ，凌赓娣，等．矿山开采沉陷学 [ M] ．徐 州 中国矿业大学出版社 ，1 9 9 1 ． [ 6] 郭增 长．建筑物下深部压煤极 不充分 开采技术及 应用研究 [ R] ．j E 京 中国矿业大学 北京 力学与建筑工程学院， 2 o o 1 ． [ 7 ] 郭增 长．极不充分开采地表移 动预计方 法及建筑物 深部压 煤开采技术的研究 [ D ] ．北京中国矿业大学 北京 资 源与安全工程学 院，2 0 0 0 ． [ 8 ] 戴华阳，王金庄．非充分开采地表移动预计模型 [ J ] ．煤 炭学报 ，2 0 0 3，2 8 6 5 8 3～5 8 7 ． [ 9 ] 王大纯 ，张人权 ，史毅虹 ，等．水文地质学基础 [ M] ．北 京 地质 出版社 ，1 9 9 5 ． [ 1 0 ] 李春意．大采深厚松散层地表沉陷规律的研究 [ D ] ．焦 作河南理工大学测绘与国土信息工程学院，2 0 0 7 ． [ 1 1 ] 李德海，等．厚松散层下条带开采技术研究 [ M] ．北京 中国科学技术出版社 ，2 0 0 6 ． [ 1 2] 王金 庄 ，李永 树 ，吴立 新 ，等． 巨厚 松散层下 采煤地表移 动规律的研 究 [ J ] ．煤炭学报 ，1 9 9 7，2 2 1 1 8～2 1 ． 责任编辑章新敏 ※信息资讯 技术信息※ 追 日电气有源无功发生器荣列上海市重点新产品 日前 ，上海追日电气有限公司自主研发的 Z S V G有源无功发生器荣列 2 0 0 8年度 “ 上海市重点新产品” ，这是追 日电气 继 Z A P F并联有源电力滤波器之后 ，又一项有源滤波高新技术产品获得 “ 上海市重点新产品”殊荣。 Z S V G有源无功发送器突破了传统的电容电抗无功补偿理论 ，集电力电子技术、计算机技术、和现代控制技术于一体， 可实现从感性到容性的连续、快速 、双向无功调节，有效抑制电压波动与系统振荡，改善负荷三相不平衡，增强系统的稳 定性，提高系统的功率因数，综合节能、降耗效果显著，尤其适用于无规律变化快、冲击强、三相不平衡负荷等电网，如 焊机、提升机、中频炉、电弧炉、轧机等。该项 目产品采用全数字化控制和显示 ，运用 了先进 的双闭环控制技术和 S V P WM技术 ，可以适时显示电网电压、负载电流、谐波含量、功率因素、输出电流、无功电流等多种参数，具有输出限 流及过载、短路、过压、欠压等多种保护功能 ，响应时间可达到 1 0 m s ，额定输出电流谐波含量小于5 ％ ，经上海市科技情 报所的国内国际联机查新检索和对比，主要技术性能指标达到国际先进水平。Z S V G有源无功发生器 目前已成功应用于攀 钢集团、北京嘉华建材、湖北骆驼蓄电池、新华光器材、杭州移动通信等多个工业用户，现已通过了国家权威机构检测， 并显示出了很好的综合经济效果。 [ 周 韦] 9 7