维普资讯 http://www.cqvip.com 第７卷第３期（总第５０期） ２００２年９月 煤矿 开 采 Ｖｏ１．７ Ｎｏ．３（Ｓｅｒｉｅｓ Ｎｏ．５０） Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２００２ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 巨厚松散层下开采地表移动特征研究 李德海 ，苏美德 ，宋常胜 （１．焦作工学院岩控与特采研究所，河南焦作４５４０００；２．新乡市卫辉地矿局，河南新乡４５３０００） ［摘要】 根据豫东永夏矿区的实测资料，分析了巨厚松散层下开采引起的地表移动特征，阐 述了地表采动稳定的判别方法及预计的双重介质模型，得出了厚松散层下开采的地表移动参数与松散 层厚度的定量关系以及地表移动期的量化特征。 ［关键词］ 巨厚松散层；采动程度；地表移动参数 ［中图分类号］ＴＤ３２５．２ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］１００６－６２２５（２００２）０３－００５０－０３ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｓ３１１ｒｆａ￣ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｒａ￣ａｇ ｕｎｄｅｒ ｖｅｒｙ ｔｈｉｃｋ ｌｏｏｓｅ ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ ＬＩ Ｄｅ—ｈａｉ ，ＳＵ Ｍｅｉ—ｄｅ ，ＳＯＮＧ Ｃｈａｎｇ—ｓｈｅｎｇ （１．Ｊｉａｏｚｕｏ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ，ｇｒｏｕｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ＆Ｓｐｅｃｉａｌ Ｍｉｎｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｊｉａｏｚｕｏ４５４０００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｗｅｉｈｕｉ Ｇｅｏｌｏｇｙ＆Ｍｉｎｅ Ｂｕｒｅａｕ。Ｘｉｎｘｉａｎｇ ４５３０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｄａｔａ ｏｆ Ｙｏｎｇｘｉａ Ｍｉｎｅ ｆｉｅｌｄ，ａｕｔｈｏｒ ａｎａｌｙｚｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｍｉｎｉｎｇ ｕｎｄｅｒ ｖｅｒｙ ｔｈｉｃｋ ｌｏｏｓｅ ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ，ｅｘｐａｔｉａｔｅｄ ｊｕｄｇｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ａｆｔｅｒ ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ ｄｏｕｂｌｅ ｍｅｄｉｕｍｓ ｍｏｄｅｌ ｔｏ ｆｏｒｅｃａｓｔ，ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｈｅ ｑｕａｔｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐａｒａｍｅｔｅｍ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏｓｅ ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ ａｎｄ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｆ ｓｕｒ＇ｆａｃｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔｇ ｔｉｍｅ．Ｔｈｅｓｅ ｈａｓ ｓｏｍｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｖａｌｕｅ ｔｏ ａｃａｄｅｍｉｃ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｍｉｎｉｎｇ ｕｎｄｅｒ ｖｅｒｙ ｔｈｉｃｋ ｌｏｏｓｅ ｏｖｅｒｂｕｒｄｅｎ ａｎｄ ａｃｔｕａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｈｉｃｋ ｌｏｏｓｅ ｏｖｅ￣ｕｒｄｅｎ；ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ；ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ 对于一般地层结构条件下，地下层状矿层的开 采引起上覆岩层及地表移动规律，经过几代科学工 作者的共同努力，采用多种研究手段，已取得了较 为成熟的研究成果。但对特殊地层结构条件下地下 层状矿层开采引起的覆岩及地表移动研究的较少。 （１）把上覆岩层看作均质各向同性的线弹性 体，覆岩层的移动是在弹性基础上梁的弯曲，建立 了连续介质模型； （２）把上覆岩层的移动看作是随机的，采用 统计分析方法研究，建立了随机介质模型。两种理 我国华北、华东一些矿区赋存有巨厚松散层地层， 就是这种特殊地层结构之一，近年来引起了国内相 论模型，尽管研究的思路、方法各不相同，但对覆 岩及地表移动变形预计的结果基本相同，达到了指 导实际工程实践的目的。 在巨厚松散层地层条件下，开采层上覆具有一 定厚度的基岩，基岩层具有粘弹性梁的性质。而由 关科技工作者和生产单位的重视，并进行了一些相 关的研究。 永夏矿区松散层厚度３００余米，地表潜水位仅 有１ＩＴＩ多，地下开采引起上覆岩层及地表移动的规 律具有本身的特殊性。 １ 巨厚松散层下开采覆岩及地表移动预计模型 对于地下开采引起上覆岩层及地表移动变形预 计模型研究，有２大主要研究成果： ［收稿日期］２００１—１０—２０ 于基岩层上方的松散层较厚，松散层结构松散，抗 变形能力低，抗剪强度很小，具有随机介质的特 性。所以在这种地层结构条件下，应将开采层上覆 岩层及地表看作两种介质，采用两模型进行研究覆 岩及地表的移动。即基岩作为连续介质，地下开 采，首先使基岩层垮落、弯曲下沉，在基岩层中形 ［基金项目】河南省教育厅自然科学基金资助项目（２ｏｏｏ４４ｏｏｏｔ）；焦作工学院博士基金资助项目（５９ｏ２） ［作者简介］李德海（１９５８一），男，河南桐柏县人，教授，１９８２年毕业于焦作矿业学院，１９９９年毕业于波兰西里西亚工业大学博士学位，从事岩层移动和。三下 开采方面的科研和教学工作，现任特殊开采研究所所长。 ５０ ，获工学 维普资讯 http://www.cqvip.com 李德海等：巨厚松散层下开采地表移动特征研究 ２００２年第３期 成下沉盆地；上覆巨厚松散层作为随机介质，它的 移动变形受下伏基岩层移动变形的控制，但它的移 动过程又是随机的。地表的移动变形是这两种介质 移动变形的叠加。理论模型如图１所示。 ， Ｔ ，冬Ｔ Ｔ Ｔ ＩＩ Ｔ …－ 随机介质 松教层 连续介质 图１ 两种介质理论模型 ２充分采动程度研究 采动程度分充分采动和非充分采动。当井下开 采面积达到该种地质采矿条件下地表应达到的最大 下沉值，此时称地表达到了充分采动，否则称为非 寸 １ ｌ 充分采动。 ０ 一般地层结构条件下，地表充分采动的程度采 用开采工作面长度Ｄ和开采深度两种主要参数的 比值来判断，当Ｄ与 的比值达到了一定值后， 就认为地表达到了充分采动。 永夏矿区的陈四楼矿和车集矿，松散层厚度为 ３５０ｍ左右，经实地观测，在采面长度Ｄ很小及其 与采深 的比值还达不到一般情况下应达到的值 时，地表已出现了充分采动的特征。经对陈四楼 矿、车集矿地表移动观测资料分析得出，在巨厚松 散层条件下，采用采深作为衡量充分采动的标准已 经不切合实际。实际上，在这种地层条件下，松散 层下的基岩起主控作用，只要开采层上覆的基岩层 达到了充分采动程度，那么地表就会出现充分采动 程度特征。 ３地表移动参数与厚松散层的关系 ３．１ 下沉系数 对永夏矿区松散层厚度不同条件下地表下沉系 数分析得出，下沉系数与上覆岩层的性质密切相 关。当基岩岩性类似时，下沉系数随松散层厚度所 占采深比例的增大而增大；反之，随松散层厚度所 占采深比例的减小而减小。因此，可将松散层简化 视为一自由荷载均布于基岩表面上，松散层厚度占 采深比例越大，基岩所承受荷载越重，进而缩小了 岩层的离层及碎胀系数，加大了地表的下沉。而厚 松散层的下沉机理不同于基岩层的下沉，主要是饱 和土体在开采沉陷中的固结变形作用引起的。分析 永夏矿区巨厚散层下开采的下沉系数与松散层厚度 之间的关系，可用如下函数表示，如图２。即： Ｌ ｑ： ｓ＋Ｙｂ”－） （１） Ｉ１０ 式中，ｓ为常数；Ｙ为系数。 图２ 下沉系数与松散层厚度和采深比值＾／ 的关系 经分析永夏矿区厚松散层下开采地表下沉系数 与开采深度、松散层厚度的关系为： ＾ ｑ：０．９２（１．１＋０．１２ Ｈｏ ） （２） ３．２地表水平移动系数 水平移动系数是反映地表点最大水平移动值与 最大下沉值之间的关系的一个参数。一般条件下， 在考虑水平移动系数时，只考虑水平移动系数与煤 层倾角之间的函数关系，水平移动系数随煤层倾角 的增大而加大。对厚松散层矿区研究发现，一方面 松散层随着基岩的移动而移动；另一方面，由于松 散层的流变和蠕变特性，本身也以流动的形式充填 基岩下沉空间，水平移动系数数值随着松散层厚度 的增大而加大。故倾角及松散层厚度对水平移动系 数均有较大影响。因此，对于永夏这样具有巨厚松 散层的矿区，研究水平移动系数时，除考虑煤层倾 角影响外，还要考虑松散层厚度影响；在煤层倾角 不大的情况下，应着重考虑松散层厚度的影响。 图３水平移动系数ｂ与松散层厚度和采深 比值＾／ 的关系 分析永夏矿区地下开采的地表水平移动系数与 松散层厚度和采深之间的关系如图３。它们之间的 ５１ 维普资讯 http://www.cqvip.com 总第５Ｏ期 煤 矿 开 采 ２００２年第３期 定量关系为： ｂ：—— ２４８７３・３３＿１ｌ２８６・２ 进０．６Ｈ时，地表点活跃期结束。此时地表点的下 （３） 沉量达到该点总下沉量的９６％。 由图４看出，巨厚松散层下开采，地表点的初 ３．３ 主要影响角正切 主要影响角决定下沉盆地的横向发育状况。松 散层作为一种与基岩物理特性差异较大的介质，它 影响着地表参数的变化及地表移动盆地的形态。松 散层的流变性决定了地表移动范围较大，这种趋势 随松散层厚度的增大而增大。分析永夏矿区厚松散 始移动阶段很短，占总移动时间的５％，地表点的 下沉量主要发生在活跃期和剧烈期内，下沉量占总 下沉量的９１％，但地表点移动时间占整个地表点 移动时间的４６％。地表点移动的衰退期较长，占 整个移动时间的４８％，但下沉量仅占总下沉量的 ３％ ∞。。∞ ０ ４ ３ ２ 一 一 层下开采的地表移动观测成果，其主要影响角正切 与松散层厚度、采深的定量关系为： ５结论 （１）巨厚松散层下开采时，地表移动变形的 ｔａ ＝１．０２（１．８６—０．１３ ） ４地表移动期 （４） 预计，可把基岩层作为连续介质，把松散层作为随 机介质的两种介质模型，其中基岩层起主控作用。 （２）巨厚松散层下开采时，只要基岩层达到 了充分采动程度，地表就出现充分采动程度特征。 为研究厚松散层下开采地表点的移动变化，对 永夏矿区的陈四楼矿２２０６面和车集矿１３２２面的１６ （３）巨厚松散层下开采地表移动参数要同时 考虑松散层和基岩层厚度的影响，在与永夏矿区地 层结构相同的矿区，地表移动变形预计可参考本文 所得结果。 次全面观测结果进行分析得出，在该种地层结构条 件下，地表点下沉速度与下沉曲线的关系如图４所 示 ４０ ３０ 一 （４）巨厚松散层下开采，地表移动初始期短， 占总移动时间的５％。地表下沉量主要发生在活跃 期和剧烈期内，占总下沉量的９１％，但下沉时间 仅占整个下沉时间的４６％。衰退期较长，占整个 移动时间的４８％，但下沉量仅占总下沉量的３％。 ． ｇ ２０ １０ ０ ’ Ｂ￣／，ｑ 黼期 ４００ ８ｏ０ ｇ １２ｏ０ 奎１６００ ２ｏｏ０ ［参考文献］ ［１］ＬＩ ＤＥＨＡＩ．Ｐｒｏｇｎｏｚｏｗａｎｉｅ ｗｐｌｙｗｏｗ ｅｋｓｐｌｏａｔａｃｊｉ ｐａｓａｍｉ ｎａ ｐｏｗｗｉ— ｅｒｚｃｈｎｉｅ ｔｅｒｅｎｕ ｗｗａｒｕｎｍｋａｃｈ ｐｌｙｔｋｉｅｇｏ ｚａｌｅｇａｉｎａ ｚｌｏｚａ Ｗ ｃｈｉｎｓｋｉｍ １一下沉曲线；２一下沉速度曲线；３一点至工作面的距离 图４地表点下沉速度与下沉曲线关系 ｚａｇｌｅｂｉｕ．Ｐｒａｃａ ｄｏｋｔｏｒｓｋＢ．Ｐｏｌｉｔｅｃｈｎｉｋａ ＳｌａｓｋＢ１９９９Ｌ Ｇｌｉｗｉｃｅ． ．当回采工作面推进２ 后，地下开采影响传 ［２］陈祥恩，李德海，勾攀峰．巨厚松散下开采及地表移动 ［Ｍ］．徐州：中国矿业大学出版社．２００１． ［３］李德海．巨厚松散层下条带开采地表移动规律［Ｊ］．焦作工 学院学报，２００１，（２） 播到地表，当工作面推进０．２Ｈ时，地表点移动开 始进入活跃期；当工作面推进０．４６Ｈ后，地表点 达到最大下沉速度，进入移动剧烈期；当工作面推 ［责任编辑：邹正立］ 国家安监局检查团到平煤集团检查工作 ２００２年７月２９日，国家煤矿安全监察局检查团窦永山一行到平顶山煤业集团公司检查工作听取汇 报，要求平煤集团公司认真吸取鸡西 ６・２０ 事故教训ｌ，重点搞好“一通三防 工作检查团对平煤集团公司安全生产工作给予充分肯定，认为平煤集团贯彻落实国家省市有关安全生产 ，。 、文件精神，领导重视、行动迅速、措施得力，安全生产工作扎实效果好。 （王树坪） ５２