厚松散层条件下综放开采地表沉陷规律与机理
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［摘 要］ 在分析研究司马煤矿地表移动观测资料的基础上，研究了厚松散层条件下综放开采 的地表移动特征。并采用数值模拟的手段，分别揭示了松散层、基岩岩性及厚度对地表沉陷规律的影 响，解释了厚松散层条件下开采地表下沉系数偏大的机理。研究成果对安全合理地开采厚松散层、综 放矿井 “三下” 压煤具有重要的参考价值。
司马煤矿具有采深浅、基岩薄、表土层厚、煤 层厚的特点，采用倾斜长壁综采放顶煤一次采全高 全部陷落法处理顶板，推进速度快、开采强度大， 地表移动规律呈现出了一些新的特点：
（ 1） 相对于同样采深薄松散层条件下综放开
采，厚松散层条件下综放开采地表沉陷变形更加剧 烈，沉陷时间比较集中，受采动影响极为敏感。
［关键词］ 松散层； 综采放顶煤； 地表沉陷； 规律； 机理 ［中图分类号］ TD325. 2 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1006-6225 （ 2011） 04-0009-04
Surface Subsidence Rule and Mechanism of Full-mechanized Caving Mining Face under Thick Loose Bed
1101 工 作 面 为 首 采 面， 长 960m， 宽 165m， 开采 厚 度 6. 5 ～ 6. 8m， 倾 角 3 ～ 8°， 平 均 采 深 219m，由东向西回采。2005 年 6 开始回采，2006 年 6 月回采结束，平均推进速度为 2. 67m / d。1102 工作面长 690m，宽 174m，开采厚度 5. 9 ～ 6. 8m， 煤层倾角 2 ～ 7 °，平均采深 225m，由东向西回采， 2006 年 6 开始回采，2007 年 3 月回采结束，平均 推进速度约为 2. 33m / d。采煤方法均采用倾斜长壁 综采放顶煤一次采全高、全部陷落法处理顶板。
近年来，由于综采放顶煤一次采全高，开采强 度大，地表沉陷变形异常剧烈，给地面建 （ 构） 筑物和环境带来了严重的影响，引起了有关各界的 重视和注意。目前，我国对综采放顶煤条件下地表 沉陷规律已经做了大量的工作，也取得了一系列的 成果［1 － 5］。但是在厚松散层条件下，由于松散层与 基岩的岩性差别，采用综放开采其地表沉陷变形规 律具有一定的特殊性，而国内外可借鉴的经验很 少，给厚松散层、综放条件矿井 “三下” 压煤问 题的解决带了一定的困难。
5843 5512 5228
下沉系 数q
0. 974 0. 919 0. 871
走向边界角 δ/ （ °）
64. 1 62. 6 61. 7
倾向边界角 β0 / γ0 / （ °）
55. 5 55. 7 54. 7
钱鸣高 院 士 等 人［6 － 7］ 提 出 的 关 键 层 理 论，认 为： 在煤系岩层中，由于成岩时间和矿物组成的不 同，使各岩层在厚度和力学特性等方面都存在着不 同程度的差别，而其中一些较为坚硬的厚岩层在采 场上覆岩体的变形和破坏中起着主要的控制作用， 并且以某种力学结构 （ 板或简化为梁等） 形式支 承上部岩体的压力，而在破断后形成的结构形式 （ 如砌体梁） 又直接影响着采场矿压显现和岩层移 动。这种在岩层活动中起主要控制作用的坚硬岩层 称之为关键层。在厚松散层开采条件下，由于松散 层的力学强度低，抗变形能力差，属软弱层，基岩 无疑是厚松散层开采条件下地表沉陷的关键层，其 移动变形和破坏，决定了上位岩层乃至地表的活动 特点。
10d 左右，之后裂缝逐渐闭合消失，或残留一定的 台阶痕迹； 另一种是在工作面两侧边界附近下沉盆 地边缘位置出现比较固定的裂缝，裂缝方向与采空 区边界方向基本一致，有较明显的裂缝带，这些裂 缝一 般 不 会 自 然 消 失， 裂 缝 最 大 宽 度 达 300 ～ 500mm，台阶落差最大达 500mm。在压缩 变 形 区 域，地表还伴有鼓起现象。
第 16 卷 第 4 期 （ 总第 101 期） 2011 年 8 月
煤矿开采 Coal mining Technology
Vo1. 16No. 4 （ Series No. 101） August 2011
厚松散层条件下综放开采地表沉陷规律与机理
易四海，郑志刚，滕永海
（ 煤炭科学研究总院 唐山研究院，河北 唐山 063012）
为系统掌握厚松散层条件下综放开采地表移动 规律，利用设在司马煤矿的 1101 工作面地表移动 观测站，进行了该条件下的地表岩移规律研究。并 基于松散层的物理力学性质和现场实测资料，采用 数值模拟的手段对厚松散层条件下综放开采的采动 影响和机理进行了描述、分析。
1 试验区地质采矿条件
试验工作面为司马煤矿一采区的 1101 和 1102 工作面，两工作面相邻，均沿倾向布置，周围均为 未采区。司马矿井田多为第四系黄土层所覆盖，地
180
241
30
106. 7
30
59. 9
初始期 /d
10 7 12
活跃期 /d
60 129 120
衰退期 /d
356 － －
移动变形分布比较集中。 采用综合机械化放顶煤开采，煤层开采后，地
表移动变形分布比较集中，主要表现在采空区边界 以内地表下沉盆地陡峭，采空区边界以外地表下沉 盆地平缓，即地表移动变形在拐点内侧下沉曲线发 展较陡，下沉值较大； 而在拐点外侧下沉曲线收敛 较慢，影响范围向外扩展较远。表现在岩移参数 上，地表下沉系数较大，达到 0. 94，主要影响角 正切 tanβ 偏大，地表下沉速度偏大，动态变形值 大，地表移动剧烈。
9
总第 101 期
煤矿开采
2011 年第 4 期
测线。受地质构造等因素影响，观测站设于工作面 终采线一侧，开切眼一侧未布设测点，见图 1。
表 1 实测地表最大移动变形值
下沉 / 倾斜 /
曲率 / 水平移 水平变形 /
mm （ mm·m － 1 ） （ 10 － 3·m － 1 ） 动 / mm （ mm·m － 1 ）
（ 2） 下沉盆地表现出厚松散层的特征，地表
表 2 厚、薄松散层工作面动态移动与变形比较
开采工作面
司马矿 1101 五阳矿 7511 五阳矿 7503
采厚 /m
6. 60 6. 49 6. 87
采深 /m
242. 7 270
315. 5
倾角 / （ °）
3 5 4
松散层厚度
/m
最大下沉速 度 / （ mm·d － 1 ）
为便于分析对比，将薄松散层、综采条件类似 的五阳矿 7503 和 7511 工作面动态变形的数据一并 列出，见表 2。通过比较可看出，采动过程中，厚 松散层条件下综放开采地表受采动影响极为敏感， 地下开采活动产生的影响很快传递到地表，加之工 作面推进速度快，地表移动的初始期很短，仅为 10d 左右。地表移动与变形极为剧烈且时间集中， 在不 到 2 个 月 的 时 间 内，地 表 最 大 下 沉 值 达 到 5530mm，最大倾斜变形值达 77mm / m，最大水平 变形达 37. 4mm / m； 下沉速度快，达 217. 2mm / d； 活跃 期 短，约 为 2 个 月，占 总 地 表 移 动 时 间 的 25% ，期间下沉量占总沉降量的 90% 以上； 衰退 期持续时间长，约为 12 个月，但下沉量很小。
走向线 5714
50. 5 0. 91 ～ － 0. 88 1462 1Biblioteka Baidu. 0 ～ － 12. 1
倾向线 5565
77. 5 1. 23 ～ － 1. 74 1589 28. 8 ～ － 36. 1
图 1 观测线布置
观测站于 2006 年初进行了测点的制造及埋设， 控制点 和 工 作 测 点 稳 定 后 进 行 了 连 接 测 量。2006 年 4 月 13 日，岩移观测站进行了首次全面观测， 到 2007 年 5 月结束，2 年间进行了多次观测。根 据实测资料，地表最大移动和变形值如表 1。
YI Si-hai，ZHENG Zhi-gang，TENG Yong-hai
（ Tangshan Research Institute，China Coal Research Institute，Tangshan 063012，China）
Abstract： Based on analysis of surface movement observation data from Sima Colliery，surface movement characteristic of full-mining caving mining under thick loose bed was researched. The influence of loose bed，lithology and thickness of bed rock on surface subsidence was revealed by numerical simulation. The cause that surface subsidence ratio was larger under thick loose bed was explained. The result might provide important reference for full-mechanized caving mining under thick loose bed when mining under railway，village and buildings． Key words： loose bed； full-mechanized caving mining； surface subsidence； rule； mechanism
（ 3） 松散层地表破坏严重，裂缝显著发育。 由于煤层 开 采 厚 度 大， 采 深 较 浅， 开 采 强 度 高，地表移动非常活跃，加之厚冲积层较为松散的 特性，地表台阶状裂缝十分发育。裂缝一般分 2 种，一种是随着工作面不断向前推进，在工作面前 方动态拉伸区不断出现的动态裂缝，该裂缝一般每 隔 5 ～ 10m 出现 1 条，与工作面回采线大致平行呈 弧状裂缝，裂缝宽度一般 200mm，发育成熟一般 10
3 机理分析
基于上述厚松散层条件下综放开采实测结果所 显示出来的地表移动新特点，采用数值模拟软件 FLAC3D分析了其内在机理。数值模拟共分为 3 组， 松散层厚度为 200m，煤层厚度为 6m，基岩厚度分 别取 20m，40m，60m， 占 采 深 的 比 重 分 别 为 9. 09% ，16. 67% ，23. 08% ，分别为采厚的 3. 33， 6. 67，10 倍。表 3 为数值模拟厚松散层条件下不 同基岩厚度的地表沉陷情况。由模拟结果可以看 出，在松散层厚度不变，随基岩厚度的增加，地表
2 地表移动规律研究
司马煤矿 1101 和 1102 工作面地表岩移观测站 分别沿工作面走向方向和倾斜方向各布设了 1 条观
［收稿日期］ 2011 － 03 － 03 ［基金项目］ 国家自然科学基金项目 （ 51074089） ； 天地科技公司发展基金项目 （ TZ － JJ － 2010 － TS － 5） ［作者简介］ 易四海 （ 1980 － ） ，男，湖北公安人，工程师，博士，主要从事开采沉陷规律与 “三下” 采煤方面的研究工作。
势平坦，地面标高一般在 940m 左右。矿井主采山 西组 3 号煤，厚 6 ～ 7m，倾角 4°左右，赋存标高为 520 ～ 815m。上 覆 岩 层 主 要 由 砂 岩、粉 砂 岩、泥 岩、石灰岩及第三系、第四系地层组成，表土层厚 度为 36. 1 ～ 198. 95m，平均为 140m 左右，属厚表 土层 覆 盖 区， 其 中 一 采 区 表 土 层 厚 度 达 170 ～ 200m，而基岩厚度仅为 50 ～ 80m，表土层约占上 覆地层总厚度的 80% 以上。
易四海等： 厚松散条件下综放开采地表沉陷规律与机理
2011 年第 4 期
下沉在程度上减少，在范围上无论走向还是倾向上 都有所扩大。由上述规律可看出厚松散层条件下基 岩厚度对地表的移动起到了控制作用。
表 3 厚松散层条件下不同基岩厚度的地表沉陷情况
基岩厚度 Hj /m
20 40 60
最大下沉值 Wmax / mm
司马煤矿具有采深浅、基岩薄、表土层厚、煤 层厚的特点，采用倾斜长壁综采放顶煤一次采全高 全部陷落法处理顶板，推进速度快、开采强度大， 地表移动规律呈现出了一些新的特点：
（ 1） 相对于同样采深薄松散层条件下综放开
采，厚松散层条件下综放开采地表沉陷变形更加剧 烈，沉陷时间比较集中，受采动影响极为敏感。
［关键词］ 松散层； 综采放顶煤； 地表沉陷； 规律； 机理 ［中图分类号］ TD325. 2 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1006-6225 （ 2011） 04-0009-04
Surface Subsidence Rule and Mechanism of Full-mechanized Caving Mining Face under Thick Loose Bed
1101 工 作 面 为 首 采 面， 长 960m， 宽 165m， 开采 厚 度 6. 5 ～ 6. 8m， 倾 角 3 ～ 8°， 平 均 采 深 219m，由东向西回采。2005 年 6 开始回采，2006 年 6 月回采结束，平均推进速度为 2. 67m / d。1102 工作面长 690m，宽 174m，开采厚度 5. 9 ～ 6. 8m， 煤层倾角 2 ～ 7 °，平均采深 225m，由东向西回采， 2006 年 6 开始回采，2007 年 3 月回采结束，平均 推进速度约为 2. 33m / d。采煤方法均采用倾斜长壁 综采放顶煤一次采全高、全部陷落法处理顶板。
近年来，由于综采放顶煤一次采全高，开采强 度大，地表沉陷变形异常剧烈，给地面建 （ 构） 筑物和环境带来了严重的影响，引起了有关各界的 重视和注意。目前，我国对综采放顶煤条件下地表 沉陷规律已经做了大量的工作，也取得了一系列的 成果［1 － 5］。但是在厚松散层条件下，由于松散层与 基岩的岩性差别，采用综放开采其地表沉陷变形规 律具有一定的特殊性，而国内外可借鉴的经验很 少，给厚松散层、综放条件矿井 “三下” 压煤问 题的解决带了一定的困难。
5843 5512 5228
下沉系 数q
0. 974 0. 919 0. 871
走向边界角 δ/ （ °）
64. 1 62. 6 61. 7
倾向边界角 β0 / γ0 / （ °）
55. 5 55. 7 54. 7
钱鸣高 院 士 等 人［6 － 7］ 提 出 的 关 键 层 理 论，认 为： 在煤系岩层中，由于成岩时间和矿物组成的不 同，使各岩层在厚度和力学特性等方面都存在着不 同程度的差别，而其中一些较为坚硬的厚岩层在采 场上覆岩体的变形和破坏中起着主要的控制作用， 并且以某种力学结构 （ 板或简化为梁等） 形式支 承上部岩体的压力，而在破断后形成的结构形式 （ 如砌体梁） 又直接影响着采场矿压显现和岩层移 动。这种在岩层活动中起主要控制作用的坚硬岩层 称之为关键层。在厚松散层开采条件下，由于松散 层的力学强度低，抗变形能力差，属软弱层，基岩 无疑是厚松散层开采条件下地表沉陷的关键层，其 移动变形和破坏，决定了上位岩层乃至地表的活动 特点。
10d 左右，之后裂缝逐渐闭合消失，或残留一定的 台阶痕迹； 另一种是在工作面两侧边界附近下沉盆 地边缘位置出现比较固定的裂缝，裂缝方向与采空 区边界方向基本一致，有较明显的裂缝带，这些裂 缝一 般 不 会 自 然 消 失， 裂 缝 最 大 宽 度 达 300 ～ 500mm，台阶落差最大达 500mm。在压缩 变 形 区 域，地表还伴有鼓起现象。
第 16 卷 第 4 期 （ 总第 101 期） 2011 年 8 月
煤矿开采 Coal mining Technology
Vo1. 16No. 4 （ Series No. 101） August 2011
厚松散层条件下综放开采地表沉陷规律与机理
易四海，郑志刚，滕永海
（ 煤炭科学研究总院 唐山研究院，河北 唐山 063012）
为系统掌握厚松散层条件下综放开采地表移动 规律，利用设在司马煤矿的 1101 工作面地表移动 观测站，进行了该条件下的地表岩移规律研究。并 基于松散层的物理力学性质和现场实测资料，采用 数值模拟的手段对厚松散层条件下综放开采的采动 影响和机理进行了描述、分析。
1 试验区地质采矿条件
试验工作面为司马煤矿一采区的 1101 和 1102 工作面，两工作面相邻，均沿倾向布置，周围均为 未采区。司马矿井田多为第四系黄土层所覆盖，地
180
241
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106. 7
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初始期 /d
10 7 12
活跃期 /d
60 129 120
衰退期 /d
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移动变形分布比较集中。 采用综合机械化放顶煤开采，煤层开采后，地
表移动变形分布比较集中，主要表现在采空区边界 以内地表下沉盆地陡峭，采空区边界以外地表下沉 盆地平缓，即地表移动变形在拐点内侧下沉曲线发 展较陡，下沉值较大； 而在拐点外侧下沉曲线收敛 较慢，影响范围向外扩展较远。表现在岩移参数 上，地表下沉系数较大，达到 0. 94，主要影响角 正切 tanβ 偏大，地表下沉速度偏大，动态变形值 大，地表移动剧烈。
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总第 101 期
煤矿开采
2011 年第 4 期
测线。受地质构造等因素影响，观测站设于工作面 终采线一侧，开切眼一侧未布设测点，见图 1。
表 1 实测地表最大移动变形值
下沉 / 倾斜 /
曲率 / 水平移 水平变形 /
mm （ mm·m － 1 ） （ 10 － 3·m － 1 ） 动 / mm （ mm·m － 1 ）
（ 2） 下沉盆地表现出厚松散层的特征，地表
表 2 厚、薄松散层工作面动态移动与变形比较
开采工作面
司马矿 1101 五阳矿 7511 五阳矿 7503
采厚 /m
6. 60 6. 49 6. 87
采深 /m
242. 7 270
315. 5
倾角 / （ °）
3 5 4
松散层厚度
/m
最大下沉速 度 / （ mm·d － 1 ）
为便于分析对比，将薄松散层、综采条件类似 的五阳矿 7503 和 7511 工作面动态变形的数据一并 列出，见表 2。通过比较可看出，采动过程中，厚 松散层条件下综放开采地表受采动影响极为敏感， 地下开采活动产生的影响很快传递到地表，加之工 作面推进速度快，地表移动的初始期很短，仅为 10d 左右。地表移动与变形极为剧烈且时间集中， 在不 到 2 个 月 的 时 间 内，地 表 最 大 下 沉 值 达 到 5530mm，最大倾斜变形值达 77mm / m，最大水平 变形达 37. 4mm / m； 下沉速度快，达 217. 2mm / d； 活跃 期 短，约 为 2 个 月，占 总 地 表 移 动 时 间 的 25% ，期间下沉量占总沉降量的 90% 以上； 衰退 期持续时间长，约为 12 个月，但下沉量很小。
走向线 5714
50. 5 0. 91 ～ － 0. 88 1462 1Biblioteka Baidu. 0 ～ － 12. 1
倾向线 5565
77. 5 1. 23 ～ － 1. 74 1589 28. 8 ～ － 36. 1
图 1 观测线布置
观测站于 2006 年初进行了测点的制造及埋设， 控制点 和 工 作 测 点 稳 定 后 进 行 了 连 接 测 量。2006 年 4 月 13 日，岩移观测站进行了首次全面观测， 到 2007 年 5 月结束，2 年间进行了多次观测。根 据实测资料，地表最大移动和变形值如表 1。
YI Si-hai，ZHENG Zhi-gang，TENG Yong-hai
（ Tangshan Research Institute，China Coal Research Institute，Tangshan 063012，China）
Abstract： Based on analysis of surface movement observation data from Sima Colliery，surface movement characteristic of full-mining caving mining under thick loose bed was researched. The influence of loose bed，lithology and thickness of bed rock on surface subsidence was revealed by numerical simulation. The cause that surface subsidence ratio was larger under thick loose bed was explained. The result might provide important reference for full-mechanized caving mining under thick loose bed when mining under railway，village and buildings． Key words： loose bed； full-mechanized caving mining； surface subsidence； rule； mechanism
（ 3） 松散层地表破坏严重，裂缝显著发育。 由于煤层 开 采 厚 度 大， 采 深 较 浅， 开 采 强 度 高，地表移动非常活跃，加之厚冲积层较为松散的 特性，地表台阶状裂缝十分发育。裂缝一般分 2 种，一种是随着工作面不断向前推进，在工作面前 方动态拉伸区不断出现的动态裂缝，该裂缝一般每 隔 5 ～ 10m 出现 1 条，与工作面回采线大致平行呈 弧状裂缝，裂缝宽度一般 200mm，发育成熟一般 10
3 机理分析
基于上述厚松散层条件下综放开采实测结果所 显示出来的地表移动新特点，采用数值模拟软件 FLAC3D分析了其内在机理。数值模拟共分为 3 组， 松散层厚度为 200m，煤层厚度为 6m，基岩厚度分 别取 20m，40m，60m， 占 采 深 的 比 重 分 别 为 9. 09% ，16. 67% ，23. 08% ，分别为采厚的 3. 33， 6. 67，10 倍。表 3 为数值模拟厚松散层条件下不 同基岩厚度的地表沉陷情况。由模拟结果可以看 出，在松散层厚度不变，随基岩厚度的增加，地表
2 地表移动规律研究
司马煤矿 1101 和 1102 工作面地表岩移观测站 分别沿工作面走向方向和倾斜方向各布设了 1 条观
［收稿日期］ 2011 － 03 － 03 ［基金项目］ 国家自然科学基金项目 （ 51074089） ； 天地科技公司发展基金项目 （ TZ － JJ － 2010 － TS － 5） ［作者简介］ 易四海 （ 1980 － ） ，男，湖北公安人，工程师，博士，主要从事开采沉陷规律与 “三下” 采煤方面的研究工作。
势平坦，地面标高一般在 940m 左右。矿井主采山 西组 3 号煤，厚 6 ～ 7m，倾角 4°左右，赋存标高为 520 ～ 815m。上 覆 岩 层 主 要 由 砂 岩、粉 砂 岩、泥 岩、石灰岩及第三系、第四系地层组成，表土层厚 度为 36. 1 ～ 198. 95m，平均为 140m 左右，属厚表 土层 覆 盖 区， 其 中 一 采 区 表 土 层 厚 度 达 170 ～ 200m，而基岩厚度仅为 50 ～ 80m，表土层约占上 覆地层总厚度的 80% 以上。
易四海等： 厚松散条件下综放开采地表沉陷规律与机理
2011 年第 4 期
下沉在程度上减少，在范围上无论走向还是倾向上 都有所扩大。由上述规律可看出厚松散层条件下基 岩厚度对地表的移动起到了控制作用。
表 3 厚松散层条件下不同基岩厚度的地表沉陷情况
基岩厚度 Hj /m
20 40 60
最大下沉值 Wmax / mm