許國勝，許勝軍，李德海，李回貴

(1.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700；2.河南理工大學(xué)礦業(yè)研究院，河南 焦作 454000)

松散層又稱沖積層，是指由河流流水搬運過來的碎巖屑沉積，在河床較平緩地帶形成的沉積物，由于松散層的土體呈松散狀態(tài)，也稱松散介質(zhì)[1-2]。松散層土體受外力作用后具有部分流動性，幾乎不具有抗拉伸能力，抗變形能力較差[3]。在我國的華東地區(qū)、華中地區(qū)、華北地區(qū)等地區(qū)地層上部覆蓋有厚的松散層，該區(qū)域進行煤炭開采面臨著諸多問題。開采沉陷是一個十分復(fù)雜的物理、力學(xué)變化過程，也是巖層自下而上地產(chǎn)生移動和破壞的過程，這一過程又受到多種因素的影響[4-5]。由于煤層上部覆蓋有較厚松散層土體，使得該地區(qū)受到采動后，地表沉陷顯現(xiàn)出特殊的規(guī)律[6-10]。為礦區(qū)地表建筑物保護、村莊搬遷以及水利設(shè)施保護提供參考依據(jù)，在趙固礦區(qū)兩個礦井(趙固一礦和趙固二礦)的首采面布置了地表移動觀測站，在工作面開采前后及過程中進行觀測工作，對于研究地表移動變形提供了可靠的數(shù)據(jù)。本文通過對實測地表沉陷數(shù)據(jù)進行分析，求取地表沉陷概率積分法參數(shù)，對地表下沉盆地特征以及地表移動角量參數(shù)進行研究。研究成果不僅對現(xiàn)場地表構(gòu)筑物的保護及治理提供技術(shù)依據(jù)，而且豐富了厚松散層條件下地表移動變形規(guī)律的理論研究。

1 趙固礦區(qū)地表移動觀測站

1.1 趙固一礦11011工作面及地表觀測站

趙固一礦11011工作面為該礦首采工作面，工作面平均采深573 m，工作面推進長度1 400 m，傾斜長度180 m，平均采高3 m，傾角2°～6°，該工作面采煤方法為綜采，全部陷落法管理頂板，平均推進速度3.6 m/d。根據(jù)工作面范圍內(nèi)鉆孔資料分析，11011工作面區(qū)域上覆地層第四系松散層層厚520 m，基巖巖厚約53 m。

在工作面上方地表布置了3條觀測線，由于部分觀測線觀測點后期遭到損壞，實際觀測工作中主要采用傾向觀測線55個觀測點觀測數(shù)據(jù)，地表觀測線與井下工作面的相對位置關(guān)系見圖1。

圖1 趙固一礦11011工作面地面觀測站布置圖Fig.1 Layout of monitoring stations over panel 11011 in Zhaogu No.1 mine

1.2 趙固二礦11011工作面及地表觀測站

趙固二礦11011工作面為該礦首采工作面，該工作面走向長度為2 266.9 m，傾向長度180 m，煤層平均厚度為6.16 m，傾角為5.5°，采用分層開采，開采厚度為3.5 m；根據(jù)該工作面范圍內(nèi)鉆孔資料分析，松散層的厚度為611.8 m，基巖巖厚為78.2 m。

工作面地表有村莊及其他構(gòu)筑物，因此根據(jù)地表的實際情況將觀測線布置成折線形狀。走向觀測線Ⅰ布置70個觀測點，傾向觀測線Ⅱ共布置68個觀測點。 地表移動觀測站與工作面的相對位置見圖2。

圖2 趙固二礦11011工作面地表觀測站布置平面圖Fig.2 Layout of monitoring stations over panel 11011 in Zhaogu No.2 mine

2 厚松散層下開采概率積分法參數(shù)求取

概率積分法作為影響函數(shù)法中典型的預(yù)計方法，是目前我國較為成熟、應(yīng)用最為廣泛的地表移動變形預(yù)計方法之一[11]。因此，本文利用Origin數(shù)據(jù)處理軟件，將觀測站實測代入概率積分預(yù)計公式進行擬合計算，得出的走向和傾向方向地表移動變形擬合曲線[12-13]。

2.1 趙固一礦11011工作面地表觀測數(shù)據(jù)擬合

根據(jù)趙固一礦11011工作面地質(zhì)和開采資料，判斷該工作面在走向方向上屬于超充分采動，而在傾向方向上屬于非充分采動。通過Origin8.5軟件將地表觀測站傾向觀測線55個觀測點的實測數(shù)據(jù)代入有限開采傾向主斷面地表移動變形預(yù)計公式，見式(1)，進行曲線擬合，得到傾向斷面概率積分法預(yù)計參數(shù)，見表1，擬合曲線如圖3所示。由于地表部分觀測點后期遭到破壞，造成圖3中右側(cè)觀測值與擬合曲線相差較大。

圖3 趙固一礦11011工作面傾向主斷面擬合曲線Fig.3 Fitting curve on the dip main section of panel 11011 in Zhaogu No.1 mine

表1 趙固一礦地表概率積分法參數(shù)Table 1 Parameters of surface probability integral method in Zhaogu No.1 mine

(1)

式中：w(y)為傾向主斷面地表下沉值，m；w0為該地質(zhì)條件下地表最大下沉值，m；r1、r2為傾向主斷面上山、下山主要影響半徑，m；s1、s2為傾向主斷面上山、下山拐點偏移距，m。

2.2 趙固二礦11011工作面地表觀測數(shù)據(jù)擬合

根據(jù)趙固二礦11011工作面地質(zhì)資料和開采資料，判斷該工作面在走向方向上屬于超充分采動，而在傾向方向上屬于非充分采動。通過Origin8.5軟件將地表觀測站傾向觀測線48個觀測點的實測數(shù)據(jù)代入式(1)，進行曲線擬合，得到傾向斷面概率積分法預(yù)計參數(shù)，見表2，擬合曲線見圖4。

圖4 趙固二礦11011工作面傾向主斷面擬合曲線Fig.4 Fitting curve on the dip main section of panel 11011 in Zhaogu No.2 mine

表2 趙固二礦11011工作面傾向概論積分法參數(shù)Table 2 Parameters of probability integral method on the dip of panel 11011 in Zhaogu No.2 mine

對于該工作面上覆下沉盆地走向主斷面的下沉數(shù)據(jù)，利用Origin8.5軟件將地表走向觀測線的34個觀測點的實測數(shù)據(jù)代入式(2)，進行數(shù)據(jù)擬合，得到走向概率積分法預(yù)計參數(shù)，見表3，擬合曲線見圖5。

圖5 趙固二礦11011工作面走向主斷面擬合曲線Fig.5 Fitting curve on the strike main section of panel 11011 in Zhaogu No.2 mine

表3 趙固二礦11011工作面走向概論積分法參數(shù)Table 3 Parameters of probability integral method on the strike of panel 11011 in Zhaogu No.2 mine

(2)

式中：w(x)為走向主斷面地表下沉值，m；Wy為地表傾向主斷面最大下沉值，m；r為走向主斷面主要影響半徑，m；s0為走向主斷面拐點偏移距，m。

結(jié)合地表走向和傾向觀測線特征點和曲線擬合求取預(yù)計參數(shù)的方法，確定出趙固二礦11011工作面地表概率積分預(yù)計參數(shù)，見表4。

表4 趙固二礦地表概論積分法參數(shù)Table 4 Parameters of probability integral method in Zhaogu No.2 mine

3 地表概論積分法預(yù)計參數(shù)分析

通過對比發(fā)現(xiàn)該地區(qū)概論積分法預(yù)計參數(shù)與一般地質(zhì)采礦條件下的參數(shù)有很大的差別，體現(xiàn)了厚松散層下開采地表移動變形所特有的規(guī)律。

1) 下沉系數(shù)較大。文獻資料表明，部分礦區(qū)在松散層下開采下沉系數(shù)為0.85～1.20，根據(jù)趙固一礦和趙固二礦地表觀測數(shù)據(jù)得到的下沉系數(shù)分別為0.93和0.91，分析兩個礦煤層上部基巖與第三系松散層、第四系松散層的組成可知：趙固一礦煤層上部基巖厚度為53 m，第三系松散層、第四系松散層厚度為520 m，松散層厚度占比為90.75%；趙固二礦煤層上部基巖厚度為78.2 m，第三系松散層、第四系松散層厚度為611.8 m，松散層厚度占比為88.67%。因此，可以判斷上覆巖中松散層厚度占比越大，其下沉系數(shù)就越大。

2) 主要影響角正切值偏小。在概率積分法中tanβ是指工作面平均開采深度與主要影響半徑的比值，反映了地表移動和變形范圍，主要取決于覆巖巖性。由于松散層具有流變特性[13-14]，增大了地表移動范圍大，造成了tanβ值隨覆巖中松散層厚度占比的增大反而減小。

3) 拐點偏移距異常。拐點偏移距的大小主要與采空區(qū)頂板巖性有關(guān)，頂板越堅硬，巖層移動后形成的懸臂效應(yīng)就越強，拐點偏移距就越大，反之則越小。該地區(qū)松散層厚度占上覆巖土層的比重較大，松散層土體強度較低，一方面頂板懸臂效應(yīng)大大減?。涣硪环矫?，采動作用下松散層含水層失水孔隙水壓力降低，在采動壓力作用下，應(yīng)力拱軸線周圍松散層土體，有效應(yīng)力增加，產(chǎn)生土體固結(jié)壓縮變形，增加了地表移動盆地在開采邊界處的下沉，引起拐點偏移距減小或者為負值。

4) 地表下沉盆地邊緣收斂過慢。造成拐點偏移距減小或者為負值，而且厚松散層覆蓋地區(qū)地表下沉盆地邊緣收斂過慢，會出現(xiàn)概率積分法函數(shù)在下沉盆地中間區(qū)域擬合較好、下沉盆地邊緣擬合較差的現(xiàn)象。具體見圖6。

圖6 下沉盆地邊緣曲線擬合誤差示意圖Fig.6 Curve fitting error diagram of subsidence basin edge

由于較厚松散層的存在，導(dǎo)致地表移動盆地形態(tài)邊緣部分收斂緩慢的現(xiàn)象，主要是因為傳統(tǒng)的概率積分預(yù)計方法是基于隨機介質(zhì)理論推導(dǎo)出來的，沒有考慮不同巖土體的沉陷特性。因此，鑒于基巖和厚松散層沉陷特性的不同，后期可以考慮將上覆巖層分為基巖和松散層兩部分來考慮，從而實現(xiàn)厚松散地區(qū)地表移動變形的準確預(yù)計。

4 地表移動角量參數(shù)

地表移動角量參數(shù)是描述地表下沉盆地與采空區(qū)相對位置、影響范圍大小及特征的參數(shù)。角量參數(shù)主要與工作面地質(zhì)條件(煤層埋深、煤層傾角、覆巖結(jié)構(gòu)等因素)和采礦條件(工作面采動程度、開采高度等因素)相關(guān)。由于該地區(qū)第三系、第四系松散層厚度較大，松散層移動角取一般情況下的45°顯得不準確，因此，在求取邊界角和移動角時，應(yīng)考慮綜合邊界角和移動角。由于趙固一礦和趙固二礦首采面煤層傾角較小，一般為5°左右，屬于近水平煤層，本次對于角量參數(shù)主要以走向方向角量參數(shù)為主。依據(jù)上述數(shù)據(jù)擬合概論積分法參數(shù)進行計算，分別得到趙固一礦和趙固二礦地表移動各角量參數(shù)，見表5。

表5 趙固礦區(qū)走向地表移動角量參數(shù)Table 5 surface movement angle parameters on the strike of Zhaogu mine area

由表5可知，趙固一礦地表移動各角量參數(shù)(移動角、邊界角、充分采動角以及最大下沉角)均小于趙固二礦參數(shù)，分析認為主要是前者覆巖中松散層厚度占比較大的原因造成的。

5 結(jié) 論

1) 通過在趙固礦區(qū)地表建立移動觀測站，對厚松散層下開采引起的動態(tài)地表移動特征進行了現(xiàn)場實測，通過曲線擬合方法，得到了該礦區(qū)地表移動概論積分法參數(shù)。

2) 通過概論積分法參數(shù)分析研究了該地質(zhì)采礦條件下的動態(tài)地表移動特征。研究表明：松散層對地表沉陷規(guī)律起著非常重要的作用，覆巖中松散層厚度占比越大，地表下沉系數(shù)越大，而主要影響角tanβ反而越小。在采動壓力作用下，應(yīng)力拱軸線周圍松散層土體，有效應(yīng)力增加，土體固結(jié)壓縮變形，使得拐點偏移距減小或者為負值，地表下沉盆地邊緣收斂過慢。

3) 根據(jù)地表觀測站實測以及概論積分法函數(shù)，得到了趙固一礦和趙固二礦的地表移動參數(shù)。 同時表明趙固一礦覆巖中松散層厚度占比較大，引起趙固一礦地表移動各角量參數(shù)(移動角、邊界角、充分采動角以及最大下沉角)均小于趙固二礦參數(shù)。