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1、 增刊 2 0 0 1 年9月 矿山刹童 MI NE S URVEYI NG S u p S e p .2 0 0 1 关于煤矿采动区地表移动稳定性评价问题的探讨 高庆潮( 峰峰矿务局总工室 ) 摘要:作者对现行# .:但中 地表移动越定及移动总时间的界定提出了 疑问，以此为据姑合实践多方面时地表 活化进行分析，并对地表移动称定性评价问 题提出了 参考桂建议. 关 健 牛地 表 移 动 德 定 性 赶 随着国民 经济的发展及可持续发展战略在各 行业的实施， 相应的一些煤炭资 源初( 深) 加工利用工业 建筑及设施在各人矿区得以兴建。 但是， 地下矿藏的开 采与地面各类建筑、设 施的保护是一对矛
2、盾体， 为此， 对特定区域地表进行稳定性评价，为建筑设计提供加固保护依据就。 传统概念上，对地表无外乎从空间范围和时间长 短两方面进行稳定性评价。前者是通过具体矿区的 综合边界角确定影响范围;而后者则是依据地表移动捺续总时间来判断地表是否稳定。 在求取地表移动总时间及判断地表点是否稳定时，目 前我国仍用地表稳定的标志是:连续 6个月 内 观测地表各点的累计下沉值均小于3 0 m m ，则 地表达到稳定状态。卜 面依此进行分析。 1 她表移动. 4 持续时间I - 实践发现影响地表移动总时间的因素土要 有覆岩结构及其物理力学性质、 采深、工作面 推进速度及采动性质等。实际1 : 作中常以 地表
3、最大卜 沉点在垂直方向上随时间的 移动轨迹及 其特征曲线结合经典地表移动稳定标志的划分 来描述和确定之。如图 1 ( 邢台矿区东庞煤矿 2 1 0 7高 架综采 ， 作面开采地表最大下沉点 2 0 点 F 沉速度及卜 沉过程图) 所示， 其具体条件 为:平均采深 4 2 0 m ,第二、四系冲积层厚度 1 8 0 m ,煤层倾角7 度， 煤厚3 . 5 - 4 . 0 m , = 1: 作 面走向长1 0 5 0 m ， 倾斜宽 1 8 0 m , 高架综采一 次性采全高冒 落法管理顶板， 覆岩岩性中等偏 软。实际观侧为:2 0号点于 1 9 8 7年 2月 1 4 图1 2 1 0 7 观
4、侧站 最 大 下沉 点的 下沉 及下 沉 速度曲 线 日 超前距大约4 5 m 时开始移动，先后经历初始期7 天、活跃期1 4 6 大，到1 0 月5 日卜 沉达2 5 2 0 m m , 到 8 8 年4 月1 0日 达2 5 4 4 m m . 从W ( T ) 曲 线上可以 看出，1 9 8 8 年4 月1 0日 以 后的跟踪观洲知2 0 点仍有缓 慢下沉， 而在这 6个月中 地表仅连续下 沉 2 4 m m ,虽然此时 地表仍在缓慢移动。 但依据规程可判断到 4 月1 0 日点地表已达到稳定状态。则此时衰退期为2 6 6 天。即地表移动总时间是4 1 9 天。 2 残余( 潜在 下沉分
5、析 2 . 1 最大下沉值Wc m与采高m之比 值WP 严格地说，地表最大下沉值 W c m仅是地表移动中 卜 沉耸较大的一个特征值，应称之为极大下沉值， 对应点为极大 卜 沉点。图1 中极大下沉值2 5 4 4 m m 仅为平均采厚3 . 8 m 的6 7 % 左右， 如果不考虑冒落带内 岩石自 身的 碎涨因素影响，可以说此时极大下沉值与采厚之间仍相差 1 2 5 5 m m ，从直观感觉上似乎很难 相信此时地表已 达到所谓的稳定状态。 立足于上述经典稳定标志，峰峰矿区已 根据大斌观测站资料归纳统计出 适合本矿区( 或类似本矿区) 地质采矿条件 卜 二者之间有如 卜 关系: W p = W
6、c m / m = g c o s a / 丽 ( 1 ) 增刊高 庆潮:关于煤矿采动区 地表移动稳定性评价问 题的探讨2 0 0 1 年 9月 式中 W c m m q a s n1 , n 3 极人 卜 沉值: 平均采高: 卜 沉系数: 煤层平均倾角; 系数，一般情况 取2 或3 ; 倾向、 实践表明上式预计精度较高， 走向采动程度系数。 误差小于1 0 % ,完全能满足生产计算之需要。 从( 1 ) 式可知，对于 某煤层开采， W c m / m士要与采动程度 n l , 0 有关;当开采 作面走向和倾向均 达到充分时，W c m / m 之比值为q c o s a ,结合表 1 之q
7、值知W p 值是小于1 的。 事实上 % P仅是一个参考 值，并不能直接说明覆岩中有 潜在沉降因素( 各种空、洞、 隙、缝) 的存在，这一点应以 v p 之值 来判断。 2 . 2 地表 沉陷 体积V lsc 与 采出 矿体 体积V 采 之比V p 表 1 峰峰矿区上组煤开采后下沉情况 煤层厚 度( m ) 下沉 系数 qV pA Q 极大下 沉里(.) 特下沉 重 ( m ) 夕从存厚度一 般 厚 度 计 算 厚 度 2 禅1 . 4 0 - 6 . 6 05 . 5 0 2 . 7 0 一 。 . 7 8 0 . 7 8 2 . 1 10 . 5 9 2 . 7 0 1 0 . 8 8 0
8、 . 8 24 . 4 3 0 . 9 7 4 # 0 . 5 9 - 2 . 0 5 1 . 4 01 . 4 0 。 9 4 0 . 8 4 5 . 7 21 . 0 8 6 禅 0 . 9 5 - 1 . 9 6一 1 . 4 0 1 . 9 0 一 。 9 41 0 . 8 5 7 . 0 5 1 . 1 5 小计 2 . 9 4 - 1 0 . 5 08 . 3 0 8 . 2 0 1 严格地说地表是否稳定或其残余移动量是否能对地面建( 构) 筑物、设施构成 潜在) 影响应以 v p值 的人小及潜在沉降部分的分布状况来判断较为合理。 2 . 2 . 工 采出 矿体体积V 未 采出矿体
9、 体积v , .由卜 作面儿何要素 诸如走向氏D 3 、 倾向长D 1 及煤 层开采 法向 厚 度。 依 据下式( 2 ) 求取，且 求取稍度一般较高: V =D l * D 3 * m ( 2 ) 2 . 2 . 2 地表沉陷 体积V 二 地表 沉 1P h 体积v 沉 求 取的 方 法也 很多， 本 篇依 据卜 沉盆 地之 特征、 峰 峰 矿区卜 沉典 型曲 线分 布 系 数 及实用边界参数，将 卜 沉盆地无因次化分剖后再累加求得( 详细计算公式见 峰煤科技1 9 9 6年第四期 “ 煤矿塌陷区盆地计算方法”一文) 。 2 . 2 . 3 V p 求取 作者己把V p 求取编制成电算程序，
10、结合峰峰矿区地质采矿条件依次变换采深H ,倾角a , 作面尺 寸D I 和D 3 ,采厚m , 采动性质、实用边界角斌等信息， 由手 峰峰矿区一般均是倾角小于3 0 度的 近水 平或缓倾斜煤层， 经人U计算分析，在倾角 a 1 . 0 和n 3 1 . 0 ) I ( 3 ) 式1一卜 I : A , 13 , C 一一一 均为特定系数: Q 一一一 综合加权 卜 沉系数，可参见表 l c n l , n 3 一一一 采动程度系数，n l =k 1 * D 1 / H 0 : n 3 二k 3 * D 3 / H 0 ; s , k 1 , k 3 一一一 系数，一般s = 2 或3 , k
11、l = k 3 = 0 . 8 : 1 1 0 一一一 平均采深。 取平均采深H O = 2 0 0 m . 顶板及其上瞿岩层为中硬岩性时的大煤顶分层初采。 V p 表达式如 F ( 见图2 ) V p = O . 7 3 * J 蔽丽+ 。 ， 1 4 ( n 1 和n 3 均 人手0 . 1 : n l 或n 3 小 于1 . 0 川 V p = O . 7 8 - G X P ( - 1 . 5 6 *了 石 获 万( n l 1 . 0 和门 3 l . 0 )( 4 ) 从 上 例 可 知: 当 双向 采 动程 度有 一向 或 双向 小于1 . 。 时， V p 与J 而百 乏简;
12、!.线 性 关系 ， V p 值为0 . 2 3 - - 0 . 5 7 , A明此时 1 . 作面及其上方W岩中有大t t 的空隙存在，约. 1 i 采出体积的 4 3 -7 7 % : 而双向均超充 增刊矿山测量 2 0 0 1 年 9月 分 采动 时， V p 与It 蔽n 3 之间 呈指数函 数 关系， 且v p 的 极限 值为大 煤煤层的 综合 加权下沉系数Q 值。 ， 7 8 , 但此时覆岩中仍有i i 采出矿体体积2 2 % 的各类空( 隙) 间存在。 2 . 3 其它方面分析 ( 1 )从稳定状态划分 6 个月内 地表连续 卜 沉不大 于3 0 m可推测， 此时间段后地表仍存在
13、沉降，仅是 单位时间段内沉降量较小而已。 ( 2 )实践中所发现的所谓老空区的活化( 处于稳 定状态的老空区受各种开采、非开采因素的扰动， 使 得采空区地表重新显现沉降现象)也证实了 潜在沉降 的存在。 ( 3 )老空区在采动后，有时虽未受外界各种因素 的 扰动，但地表在数十年后因连续 微量沉降的积累 而 山现大的沉降址和变形。使地面设施因沉降和变形累 加而形响到正常使用，如机厂五金厂房位于采空区正 7 Z - 图2峰峥矿区大煤顶分层初采介与 采动程度关系图 上方，经过近止一 卜 年时间之后仍受八十年代初开采的1 2 5 6 和1 4 8 2 等 I 作面淤在沉降积累影响，重新出 现沉陷盆地，
14、 雨季地面积水无法排出。 这对规程中所界定的地表稳定状态提出了 挑战性疑问。 3 潜在沉降分析 潜在沉降的确存在. 有时非常大。 作者认为 它们主要表现为: 采空区冒 落岩石的碎涨性支撑空间( 裂 除) ;采空区四周与煤壁 ( 柱) 间空隙( 非冒落区) ;裂隙带内岩石断裂缝及岩层间离层裂le i :地表扒裂缝 等。随着采动程度、性质及顶板、授岩物理岩性差异，上述裂隙空间体所占比例不尽相同，- F 面以中 等 硬度砂岩顶板为例分析。表2部分岩石的 碎涨系数 3 . 1 冒 落带 冒 落带是用全部垮落法管理顶板时回采I 一 作面放顶后引起直接 顶板岩层产生破坏的范围。由丁 岩石具有碎涨性，使得冒
15、 落带向上 发展到一定高 度而白 行终比 。冒 落带的高度主要取决于 采厚和上覆 岩4 1 的碎涨系数，实践中以卜 式近似估算: h =m / E ( k - 1 ) * c o s a ( 5 ) 式中: h 一一一冒落带高度; m 一一一 采厚: k 一一一 碎涨系数( 取值参见表2 ) : a 一一一 倾角。 岩石名 称 碎胀系数 初始K 残余K 砂了 1. 0 5-1. 15 粘土 1 . 2以下 碎煤 1 . 2以下 N A i k一 1 . 4 砂质k岩 1 . 6 - 1 . 8 硬砂岩 1 . 5 - 1 . 8 一般软岩石1 . 0 2 0 一 般 中 硬 岩 石 L 0 2
16、 5 - - A ft w t 4 i一!1 . 0 3 0 实测冒 落带发育高度通常为采山煤厚的 3 -5倍。其发育形态从纵剖面上看依覆岩性质、顶板管理 方式、 采动_ : 作面尺寸主要表现有近似二角形、半椭圆形及近似梯形等儿种形态。 由冒 落带发育儿何形态及其残余碎涨系数， 可推算出冒 落岩石的残余碎涨体积约i i 采山矿体体积的 h - 1 2 . 5 % 左右，在此范围内 其比例与采动程度呈似正比关系。 3 .2工 作 西 四 周 冒 落 体 与 煤 壁 柱 ) 间 空 问 实践中发现因覆岩( 顶板) 性质、采高、 煤壁 匕 方顶板与采空区间可形成悬臂( 顶) 、 角形等空间体) 约. . 采出体体积的3 - - 3 0 % . 3 . 3 地表扒缝 ! 作面尺寸、采煤方式、顶板管理方法等差异，卜 作面四周 切胃、垮( 骨) 落等形式。 由此产生的空间( 有似矩形、 似二 甚至更
