理論與實(shí)踐:黃土溝壑區(qū)淺埋煤層大采高工作面開采地表移動特征研究
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神南礦區(qū)張家峁煤礦地處毛烏素沙漠與陜北黃土高原的過渡地帶，井田地貌類型可分為風(fēng)沙灘地區(qū)、河谷區(qū)、黃土丘陵溝壑區(qū)。礦區(qū)內(nèi)第四系中上更新統(tǒng)黃土廣布，其特點(diǎn)是黃土覆蓋于老地層之上，厚度較大，一般50～100 m，由于受外應(yīng)力作用，形成一系列特殊的黃土地貌，地形復(fù)雜，溝壑縱橫，坎陡溝深，地表侵蝕強(qiáng)烈，有疏密不等的短小沖溝。張家峁煤礦目前主采5-2煤層，其埋藏深度100～150 m，煤層厚度5～7 m，采用一次采全高開采方法。淺埋煤層大采高工作面開采方法以及復(fù)雜的地表形態(tài)使得開采引起的地表移動變得異常復(fù)雜，有必要進(jìn)行地表巖層移動規(guī)律的觀測研究。
1 工程地質(zhì)條件
張家峁煤礦井田面積51. 98 km2，可采煤層7層，地質(zhì)儲量8. 65億t，可采儲量5.43億t。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為600萬t／年，服務(wù)年限72年，采用綜合機(jī)械化開采，全部垮落法管理頂板。
N15203工作面地表位于前、后姚家峁西，郭家焉、平沙地東，單家峁北。工作面平均埋深128 m，設(shè)計(jì)采高為6.3 m，采用雙向割煤方式，往返一次割兩刀，正�；夭善陂g工作面沿煤層底板回采。
2 觀測方案設(shè)計(jì)
2.1 觀測線布置形式選擇
本次的地表移動觀測采用剖面線觀測站的布置形式，其剖面線觀測站是在主斷面上（傾斜與走向）呈直線型布點(diǎn)。考慮到N15203工作面的地表?xiàng)l件較為復(fù)雜，因此沿煤層走向方向與傾斜方向各布置一條觀測線。
2.2觀測線布置參數(shù)選取
布設(shè)測線時(shí)，根據(jù)N15203工作面地表?xiàng)l件，把每個(gè)測點(diǎn)之間的距離確定為15～20 m，個(gè)別測點(diǎn)根據(jù)具體地表?xiàng)l件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，走向觀測線長650 m，共布置測點(diǎn)32個(gè)，編號為21～232；傾向觀測線長700 m，共布置測點(diǎn)32個(gè)，編號為Q1～Q32，距切眼距離360 m，如圖1所示。測點(diǎn)采用預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)，中間用長度300 mm，直徑20 mm的鐵桿做標(biāo)志，標(biāo)志的頂部加工成球形，并鉆一個(gè)深5 mm，直徑為1～2 mm的孔作為測點(diǎn)標(biāo)志中心。埋設(shè)測點(diǎn)時(shí)，在標(biāo)定的位置挖一個(gè)直徑300～350 mm的坑，深度不小于60 mm，將測量標(biāo)志點(diǎn)埋設(shè)于地下。
3 觀測結(jié)果分析
N15203工作面共進(jìn)行了6次全面觀測，4次日常觀測，通過對數(shù)據(jù)整理分析，取得了較為可靠的地表移動參數(shù)。
3.1 采動過程中地表移動分析
部分走向觀測線(Z)動態(tài)下沉曲線如圖2所示。2013年6月26日對觀測區(qū)進(jìn)行了全面觀測，此時(shí)工作面已推進(jìn)20 m左右，各測點(diǎn)的移動幾乎無任何變化；隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)推進(jìn)160 m左右時(shí)（2013年7月29日），214～217測點(diǎn)有一個(gè)明顯的下沉。直到工作面推進(jìn)到560 m左右時(shí)（2013年10月18日），214點(diǎn)基本達(dá)到了最大下沉值1.9 m，這段時(shí)間正是214點(diǎn)的下沉活躍期。Z線各測點(diǎn)的下沉活躍期是隨著工作面的推進(jìn)而不斷變化的，由于地形的影響，各測點(diǎn)的下沉活躍期的長短也有所不同。當(dāng)?shù)乇矸�(wěn)定時(shí)，在所有的測點(diǎn)中，最大下沉發(fā)生在215測點(diǎn)，距離切眼60 m，最大下沉值為4.8 m。從Z線最后幾次觀測所得的沉降曲線可以看出觀測區(qū)以外采空區(qū)的下沉發(fā)展趨勢，即最大下沉應(yīng)該在3. 7～3.9 m之間。
部分傾向觀測線(Q)動態(tài)下沉曲線如圖3所示。當(dāng)工作面推進(jìn)385 m左右時(shí)（2013年9月14日），Q線中部測點(diǎn)（Q13～Q23點(diǎn)）出現(xiàn)明顯的下沉，最大下沉量為1. 95 m。2013年10月18日觀測時(shí)，地表的最大下沉為3. 85 m，在最后幾次測量中，地表沉降已趨于穩(wěn)定，最大下沉發(fā)生在Q18測點(diǎn)，最大下沉值達(dá)到3.86 m。
地表下沉的大小、范圍與采空區(qū)的范圍和地表形態(tài)有直接關(guān)系。由于受頂板臺階式斷裂的影響，下沉曲線連續(xù)性較差，過度不是很平滑（尤其在拐點(diǎn)附近），這也是黃土溝壑區(qū)地表沉陷的一個(gè)特征。另外，受工作面地表特殊地形的影響，地表的最大下沉點(diǎn)未發(fā)生在采空區(qū)中心位置，而是有一定的偏離。走向觀測線各測點(diǎn)的最大下沉速度發(fā)生的時(shí)間是不一致的，各測點(diǎn)隨著工作面的推進(jìn)依次開始下沉，而后達(dá)到最大下沉速度，最后又逐漸減小。在對觀測站進(jìn)行的所有觀測中，很好地觀測到了217點(diǎn)的最大下沉，在2013年8月8日的觀測中，217點(diǎn)的最大下沉速度達(dá)到了391 mm/d，很好地反映了實(shí)際地表下沉規(guī)律，地表下沉具有突發(fā)性，即地表會在很短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較大的下沉，這也符合神南地區(qū)淺埋煤層開采地表下沉的一般規(guī)律。
3.2 地表移動的角量分析
(1)起動距的確定。當(dāng)N15203工作面推進(jìn)約60 m位置時(shí)，地表對應(yīng)的觀測點(diǎn)212開始移動，即地表移動起動距為60 m。地表移動的起動步距不但與覆巖巖性結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與黃土層厚度、地下煤層的開采速度等因素有關(guān)，由于N15203工作面地表溝壑縱橫、地形復(fù)雜，起動距與其它礦區(qū)相比明顯要小。另外，因黃土層抗拉伸變形能力差，垂直裂隙非常發(fā)育，巖層內(nèi)部的移動變形在黃土層中的傳遞在很短時(shí)間內(nèi)就能完成，因此地表沉降在剛開始沉降時(shí)具有突變性。
根據(jù)張家峁礦區(qū)覆巖賦存特性可知，土層厚度與基巖厚度差異較大。起動距的主要決定因素是基巖的厚度，用基巖厚度來確定的起動距是比較準(zhǔn)確的，由此得出起動距可由下式確定：
式中：
由式(l)可得n=0.88，起動步距為基巖厚度的88%。
因此，張家峁礦區(qū)由于開采引起地表移動的起動步距可大致按基巖厚度的88%來判定。
(2)超前影響角的確定。為了掌握工作面推進(jìn)過程中前方地表開始下沉的位置，確定采動地表動態(tài)移動的影響情況，一般將工作面前方地表開始移動的點(diǎn)與此時(shí)工作面位置的連線和水平線在煤柱一側(cè)的夾角稱為超前影響角。超前影響角的計(jì)算公式為：
根據(jù)觀測結(jié)果可確定，工作面前方地表移動的超前影響距L超為80 m，則由式(2)計(jì)算可得，超前影響角為57.90。
3.3地表裂縫發(fā)育特征及分析
N15203工作面采深采厚比較小，地表移動的形式主要表現(xiàn)為臺階狀逐段斷裂坍塌，N15203工作面地表裂縫的分布特征如圖4～6所示。
裂縫的發(fā)生、發(fā)展具有如下特點(diǎn)：
(l)時(shí)間上的突然性。當(dāng)工作面推進(jìn)到一定距離后，裂縫是在較短的時(shí)間內(nèi)形成的。在觀測期間，間隔一天時(shí)間地表裂縫就發(fā)生明顯變化，裂縫發(fā)育導(dǎo)致道路破壞，車輛無法通行。
(2)裂縫出現(xiàn)的地點(diǎn)成固定距離分布，裂縫間距相差不大，局部地方受特殊地形的影響可能會有所偏差。
(3)裂縫出現(xiàn)與實(shí)際地形地貌有密切聯(lián)系，多發(fā)育在地形地貌不連續(xù)的拐點(diǎn)處。
N15203工作面是以一定速度向前推進(jìn)的，其地表沉陷影響是由工作面通過覆巖以一定的超前影響角到達(dá)松散層與基巖接觸面以及地表的，工作面推進(jìn)位置不同，地表影響的范圍和程度也不相同，總體來說地表沉陷破壞顯現(xiàn)劇烈，地表沉陷破壞為連續(xù)臺階裂縫破壞，在近溝壑邊緣位置破壞更嚴(yán)重，發(fā)展范圍也比塬面位置大。
4 結(jié)論
(1) N15203工作面走向觀測線最大下沉點(diǎn)距離工作面切眼60 m，下沉值為4.8 m。觀測區(qū)以外采空區(qū)的最大下沉為3. 7～3.9 m;傾向觀測線最大下沉值為3. 86 m。地表下沉曲線連續(xù)性較差，過渡不是很平滑（尤其在拐點(diǎn)附近），地表沉降在剛開始沉降時(shí)具有突變性。
(2) N15203工作面地表移動起動距為60 m，根據(jù)張家峁礦區(qū)覆巖賦存特性可知，土層厚度與基巖厚度差異較大，起動距的主要決定因素是基巖的厚度，用基巖厚度來確定的起動距是比較準(zhǔn)確的，張家峁礦區(qū)由于開采引起地表移動的起動步距可按基巖厚度的88%來判定。
(3) N15203工作面地表裂縫呈現(xiàn)時(shí)間上的突然性，裂縫出現(xiàn)的地點(diǎn)成固定距離分布以及多發(fā)育在地形地貌不連續(xù)的拐點(diǎn)處等特點(diǎn)。
5摘 要
針對神南礦區(qū)張家峁煤礦黃土溝壑區(qū)淺埋煤層大采高工作面開采地表移動的特殊性，在N15203工作面開采期間進(jìn)行了地表移動實(shí)測，分析結(jié)果表明：地表下沉曲線連續(xù)性較差，在地表移動初期地表沉降具有突變性；地表裂縫的出現(xiàn)呈現(xiàn)時(shí)間上的突然性，出現(xiàn)的地點(diǎn)呈固定距離分布，地表裂縫多發(fā)育在地形地貌不連續(xù)的拐點(diǎn)處。
