黃土山區(qū)疊加工作面開采地表移動(dòng)變形規(guī)律

賀國(guó)偉 郭 劍

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714099)

1 礦區(qū)概況

我國(guó)煤炭資源豐富，其中黃土下覆蓋的煤炭資源占總煤炭的比例不低，為最大化開采這部分煤炭資源，須研究其采動(dòng)地表移動(dòng)變形規(guī)律，以降低或消除開采對(duì)地表植物和建構(gòu)筑物的損害，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的三者有機(jī)結(jié)合[1-3]。N1114工作面和N1206工作面是交叉疊加，首先開采N1114工作面，當(dāng)推進(jìn)215 m后，N1206工作面開始開采，整個(gè)開采過(guò)程中，二者基本保持這個(gè)距離。為研究其地表移動(dòng)變形規(guī)律，并且顧及山區(qū)地形因素，總共布設(shè)了5條觀測(cè)線，其中A觀測(cè)線布置在N1114工作面中部，主要反映該工作面走向移動(dòng)變形及N1206采動(dòng)對(duì)其影響。B觀測(cè)線布置在N1206工作面中部，與觀測(cè)線D和觀測(cè)線E分別交于D01(B24)和E01(B24)，考慮到B觀測(cè)線地面幾乎為溝壑區(qū)，較難布置測(cè)點(diǎn)，最終在地面布設(shè)了33個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。在N1114工作面沿傾向布設(shè)一條觀測(cè)線C，該測(cè)線不僅控制N1114工作面開采在傾向方向半盆地的移動(dòng)變形情況，還可以有效地控制在N1114工作面和N1206工作面開采后傾向半盆地的移動(dòng)變形情況。結(jié)合N1206工作面地表分布特征，考慮布置N1206工作面傾斜觀測(cè)線相對(duì)較難布置，故分別在傾向方向布置觀測(cè)線D和觀測(cè)線E；觀測(cè)線D位于N1114和N1206工作面疊置區(qū)域上方溝壑區(qū)頂部塬上，為分析疊置區(qū)的最大下沉量及溝壑區(qū)坡體的滑移量提供依據(jù)，見圖1。

2 移動(dòng)變形規(guī)律

2.1 下沉

先開采N1114工作面，當(dāng)工作面推進(jìn)到34 m，即第三次觀測(cè)，地表最大下沉量達(dá)到16 mm，表明地下采動(dòng)影響已經(jīng)傳遞到地表了。由圖3可知傾向下沉隨工作面推進(jìn)不斷增大，影響范圍也在逐漸擴(kuò)大，符合一般開采沉陷規(guī)律。最終傾向線最大下沉值為3 981 mm，而該工作面的采高只有1.8 m，導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因有兩點(diǎn)：一是山區(qū)地形，C17-C23系列點(diǎn)位于半山坡上，受地下采動(dòng)影響后，這些點(diǎn)在下沉的同時(shí)向下山方向移動(dòng)。二是N1206工作面開采的影響，由圖1可知這些點(diǎn)在該工作面開采影響范圍內(nèi)，開采后對(duì)這些點(diǎn)形成二次破壞，導(dǎo)致移動(dòng)變形進(jìn)一步加劇。當(dāng)N1114推進(jìn)到558 m，N1206推進(jìn)到523 m，A線的A25-A27、B線的B23-B27和D線的D03-D08這些點(diǎn)的下沉量最大，下沉速度最快，加之地形因素的作用，地表產(chǎn)生較大裂縫，最大裂縫寬度達(dá)1.2 m，而且是臺(tái)階式錯(cuò)裂，地表破壞程度較大。圖2中部分點(diǎn)在整個(gè)開采過(guò)程中出現(xiàn)上升現(xiàn)象，導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因是這些點(diǎn)布置在靠下山方向一側(cè)，偏向山腳，在工作面推進(jìn)過(guò)程中，上方的巖層垮落勢(shì)必對(duì)山腳的巖層產(chǎn)生側(cè)向擠壓，傳到地表后就產(chǎn)生此現(xiàn)象，而工作面開采推過(guò)這些點(diǎn)后，上覆巖層垮落傳到地表后，再次引起這些點(diǎn)的下沉。最終N1114工作面單采下，最大下沉值為1 165 mm；N1206開采后，受其采動(dòng)影響，地表下沉更劇烈，最終地表最大下沉值為7 155 mm，見圖3，圖4。

2.2 傾斜變形

傾斜反映了地表不均勻沉降程度[4]。B線的傾斜最能說(shuō)明兩個(gè)疊加工作面對(duì)其產(chǎn)生的影響。當(dāng)N1114工作面推進(jìn)到168 m，地表最大傾斜值達(dá)8 mm/m，此時(shí)N1206工作推進(jìn)到80 m，依據(jù)二者位置及推進(jìn)距離，導(dǎo)致地表最大傾斜值主要因素是N1114工作面的開采和山區(qū)地形；當(dāng)N1114工作面推進(jìn)到324 m，N1206工作面推進(jìn)到298 m，地表最大傾斜達(dá)到42 mm/m，此傾斜最大值主要由兩個(gè)工作面疊加開采所致，并且山區(qū)地形對(duì)其產(chǎn)生的影響也不能忽略，地表出現(xiàn)較大裂縫，最大裂縫寬度為0.8 m，地表也出現(xiàn)臺(tái)階式下沉。隨著兩個(gè)工作面的不斷推進(jìn)，傾斜變形也不斷向四周擴(kuò)散，而且傾斜變形值正負(fù)交替變化，主要由地形因素引起的，面向開采工作面的山坡傾斜變形呈現(xiàn)正值，背向開采工作面的山坡傾斜變形呈現(xiàn)負(fù)值。

2.3 水平變形

水平變形反映的是相隔一定距離點(diǎn)的不均勻水平移動(dòng)程度[5]，當(dāng)N1114工作面推進(jìn)到241 m，N1206推進(jìn)到214 m，地表最大水平變形值為-11 mm/m，出現(xiàn)壓縮變形主要原因是這些點(diǎn)所在位置處于山谷處，地下采動(dòng)引發(fā)的上覆巖層移動(dòng)對(duì)這些點(diǎn)產(chǎn)生了擠壓，但是這種現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間很短暫，當(dāng)工作面開采推進(jìn)到這些點(diǎn)的正下方或越過(guò)這些點(diǎn)后，上覆巖層塌落再次對(duì)這些點(diǎn)產(chǎn)生移動(dòng)變形，而這些變形又是正變形。當(dāng)N1114工作面推進(jìn)到428 m，N1206工作面推進(jìn)到389 m，此處變形達(dá)到16 mm/m，由壓縮變形變?yōu)槔熳冃巍ｋS著兩個(gè)工作面的不斷推進(jìn)，并受山區(qū)地形因素的影響，地表水平移動(dòng)變形較為復(fù)雜，呈現(xiàn)出水平變形值較大，而且在整個(gè)開采過(guò)程中，水平移動(dòng)變形較大值隨兩個(gè)工作面推進(jìn)向擴(kuò)散著，受地形影響水平移動(dòng)變形值呈現(xiàn)正負(fù)值。最終地表最大水平變形值為62 mm/m。

2.4 地表角量參數(shù)

1)邊界角。

走向和傾向邊界角以下沉值為10 mm的位置作為臨界邊界處[6]，根據(jù)觀測(cè)的數(shù)據(jù)和走向觀測(cè)線的下沉曲線圖，依據(jù)相鄰礦區(qū)的角值進(jìn)行對(duì)比分析可解算出該礦區(qū)的走向邊界角。通過(guò)對(duì)N1114工作面的傾向觀測(cè)線分析，確定出邊界點(diǎn)所在位置距離工作面開采邊界75 m，工作面平均采深為120 m。為獲取N1114工作面的傾向邊界角，通過(guò)對(duì)C線和E線的綜合分析，最終確定傾向邊界點(diǎn)距離傾向邊界線140 m，工作面的平均采深為160 m。最終工作面的邊界角為：N1114工作面的邊界角為59.7°，N1206工作面的邊界角為48.8°。

2)移動(dòng)角。

根據(jù)移動(dòng)角的含義，通過(guò)對(duì)C線的傾斜和曲率的分析計(jì)算出N1114工作面的移動(dòng)臨界變形值點(diǎn)距離采空區(qū)邊界45 m。通過(guò)對(duì)C，E兩條觀測(cè)線的分析，得出臨界點(diǎn)距離采空區(qū)邊界51 m。即N1114工作面的移動(dòng)角為69.4°，N1206工作面的移動(dòng)角為72.3°。

3)裂縫角。

根據(jù)傾向觀測(cè)C線的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析出N1114工作面單獨(dú)開采裂縫點(diǎn)距離開采邊界36 m，由于N1206工作面開采也對(duì)C線產(chǎn)生了影響，須將此影響剔除掉，最后確定開采裂縫點(diǎn)距邊界23 m。即得N1114工作面的裂縫角為73.3°，N1206工作面的裂縫角為81.8°

4)充分采動(dòng)角。

通過(guò)對(duì)C線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析得出N1114工作面獨(dú)自開采的最大下沉點(diǎn)距開采邊界110 m，為確定N1206工作面的地表最大下沉值，須剔除N1114開采工作面對(duì)其產(chǎn)生的影響，最后確定為最大下沉值點(diǎn)距離開采邊界32 m。即N1114工作面充分采動(dòng)角為47.5°，N1206工作面充分采動(dòng)角為78.7°。

5)最大下沉角。

通過(guò)觀測(cè)線C線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析得出N1114工作面獨(dú)立開采最大下沉點(diǎn)距采空區(qū)中心15 m，最大下沉角82.9。由D線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析出最大下沉點(diǎn)距離采空區(qū)中心30 m，最大下沉角79.4°。

五個(gè)角量參數(shù)值整體呈現(xiàn)偏大，這主要受山區(qū)地形影響所致。除最大下沉角和邊界角外，N1206工作面的裂縫角、移動(dòng)角和充分采動(dòng)角都較N1114工作面偏大，出現(xiàn)此現(xiàn)象的主要原因是N1206工作面開采屬重復(fù)采動(dòng)，并且N1206與N1114工作面疊加重合度較大，其開采后對(duì)邊界影響角相對(duì)較小，而對(duì)地表產(chǎn)生的破壞程度會(huì)加大，因此地表移動(dòng)變形也較劇烈。

3 結(jié)語(yǔ)

黃土山區(qū)疊加工作面開采對(duì)地表產(chǎn)生的移動(dòng)變形較大，下沉、傾斜和水平變形曲線呈現(xiàn)不規(guī)律分布，曲線形態(tài)抖動(dòng)性較大；地表最大下沉值為7 155 mm，最大傾斜變形值為42 mm/m，最大水平變形值為62 mm/m。N1206工作面的裂縫角、移動(dòng)角和充分采動(dòng)角值較N1114工作面偏大。