陕北风积沙区超长工作面地表移动变形特征研究.pdf
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1、120(7):12 0-12 5.引用格式:冯泽伟,浮耀坤,胡振琪,等。陕北风积沙区超长工作面地表移动变形特征研究J.煤炭工程,2 0 2 3,55Vol.55,No.COALENGINEERING第55卷第7 期程炭煤doi:10.11799/ce202307020陕北风积沙区超长工作面地表移动变形特征研究冯泽伟,浮耀坤2.3.4,胡振琪4,白铭波,石国牟4,于秋鸽3,李鹏宇4,王建文5(1.陕西陕煤陕北矿业公司韩家湾煤炭有限公司,陕西榆林7 19 3 0 0;2.煤炭科学研究总院,北京100013;3.中煤科工开采研究院有限公司,北京100013;4.中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建
2、研究所,北京100083;5.陕西陕煤陕北矿业公司柠条塔煤炭有限公司,陕西榆林719300)摘要:为研究风沙地貌超长工作面开采地表移动变形影响,对陕北柠条塔矿S12002工作面进行长期、系统的地表变形监测,研究结果表明:陕北风积沙区超长工作面地表变形具有下沉响应快、边界下沉收敛迅速、地表下沉呈非连续性震荡波动、地表开切眼处损伤严重等特点,其中最大下沉系数0.59,最大下沉量2 442.4mm,最大水平移动值8 3 2.3 mm,最大下沉速度3 54mm/d,活跃期下沉量占总下沉量9 6%,该地区具有明显的高强度开采损害特征;下沉系数与工作面地质采矿条件参数存在一定相关性,研究成果丰富了西部风积
3、沙区超长工作面地表变形特征研究数据。关键词:风积沙矿区;超长工作面;地表移动变形;下沉系数中图分类号:TD167文献标识码:A文章编号:16 7 1-0 9 59(2 0 2 3)0 7-0 12 0-0 6Characteristics of surface movement and deformation of super-longworking face in eolian sand region in northern ShaanxiFENG Zewei,FU Yaokun2.34,HU Zhenqit,BAI Mingbo,SHI Cuomou,YU Qiuge,LI Pengyu,
4、WANG Jjanwen(1.Shenmu Hanjiawan Coal Mining Co.,Ltd.,Northern Shaanxi Mining Co.,Ltd.,Yulin 719300,China;2.China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;3.CCTEG Coal Mining Research Institute,Beijing 100013,China;4.Institute of Land Reclamation and Ecological Restoration,China University of Min
5、ing and Technology-Beijing,Beijing 100083,China;5.Shenmu Ningtiaota Coal Mining Co.,Ltd.,Shaanxi Coal and Chemical Industry Group Co.,Ltd.,Yulin 719300,China)Abstract:In order to study the influence of the surface movement and deformation of the super-long working face in theaeolian sand landform,a
6、long-term and systematic study was carried out on the S12002 working face of the Ningtiaota Mine innorthern Shaanxi.The research results show that the surface deformation is characterized as fast subsidence response,rapidconvergence of boundary subsidence,discontinuous oscillatory fluctuation of sur
7、face subsidence,and serious surface damage atthe open cut off by surface movement deformation characteristics and related parameters,the maximum subsidence coefficient is0.59,the maximum subsidence amount is 2442.4 mm,the maximum horizontal movement value is 832.3 mm,the maximumsubsidence speed is 3
8、54 mm/d,the subsidence of surface active period accounts for 96%of the total subsidence,showingobvious characteristics of high-intensity mining damage;and the subsidence coefficient and the working face geological miningconditions parameters have a certain relationship.The research enriches the data
9、 on the surface deformation characteristics ofthe super-long working face in the western aeolian sand region.Keywords:eolian sand mining area;super-long working face;surface movement deformation;subsidence coefficient收稿日期:2 0 2 2-10-2 3基金项目:国家自然科学基金项目(417 7 1542);陕西煤业化工集团有限责任公司重大项目(2 0 18 SMHKJ-A-J-
10、03);中煤科工开采研究院有限公司科技创新基金项目(KJ-KCQN-03)作者简介:冯泽伟(19 7 1一),男,陕西子洲人,高级工程师,现主要从事煤矿安全生产管理工作,E-mail:50 6 2 8 8 。通讯作者:浮耀坤(19 9 1一),男,河南焦作人,博士,主要从事矿区土地复垦与生态修复研究工作,E-mail:f a l c o n 。1212023年第7 期研究探讨程炭煤黄河中游地区煤炭资源丰富,但生态环境极其脆弱,区内广布风沙地貌,地表风沙松散层较厚,流动性强,受采动影响后易产生大量裂隙2 ,加重原本脆弱的土地生态环境损害程度,进而危害影响黄河流域中游土地与水资源的关系3 。晋陕蒙
11、能源金三角地区因特殊的地质采矿条件与超长、超大工作面尺寸4,加剧地表生态损害5我国西部矿区工作面尺寸远大于中东部矿区,超大工作面大采高采煤造成地表移动变形的静态、动态沉陷参数亦不同。郭文兵等探讨了西部高强度开采的含义6 ;王鹏7 、李圣军8 研究了神东地区哈拉沟、韩家湾矿高强度开采地表移动变形特征规律。王新静9 、陈超10 等揭示了神东风沙区超大工作面地表下沉盆地具有自修复现象。杜善周11 对神东矿区超大工作面开采地表移动变形与地表微生物修复耦合影响作用下的绿色开采技术进行了研究。闫伟涛12.13 等研究了西部风沙区超大采高工作面覆岩破坏与地表溃沙的灾害特征及其机理。杨俊哲14.15 针对神东
12、补连塔与上湾的超大采高工作面开展了系统的覆岩破坏高度研究,发现覆岩损害程度高、破坏范围大等特点。本研究基于陕北风积沙区柠条塔矿S12002工作面的地表变形实测数据,分析其地表移动变形特征,并且对西部矿区相似地质采矿条件下地表移动变形参数进行对比分析,尤其是覆岩结构、地质条件、工作面尺寸等复合因素影响下地表下沉系数特征。为西部风沙区超长工作面开采地表移动变形提供一定价值的借鉴1采矿地质条件与地貌特征柠条塔矿位于陕北矿区神南煤田,毗邻毛乌素沙漠边缘,北接考考乌素沟,区域内为风积沙地貌,植被稀少,干旱少雨,地势平缓。柠条塔矿S12002工作面位于井田西南边缘,工作面北侧终采线处与西宁公路毗邻,主采侏
13、罗纪2-煤,工作面长3955.95m,宽3 44.4m,煤厚3.6 4.1m,采高4.1m,倾角0 2 7 2 14,无断层,地质构造简单,赋存稳定。工作面埋藏深度17 0 2 2 0 m,平均埋深195m左右。煤层上覆基岩厚度9 0 13 0 m,土层厚度40 10 0 m,沙层厚度0 10 m。2观测站布设与数据获取获取整个工作面地表采动变形过程是一项非常复杂的工作,因此设置地表移动观测站是最直接、安全、可靠的方法2 0 。基于研究区地形地貌、地质采矿条件与监测原则,采用剖面法,布设2 条观测线,点间距均为2 0 m,走向观测线(A线)处于S12002工作面中心位置,长12 0 0 m,点
14、数6 1个,起点距开切眼2 9 55m,倾向观测线(B线)在距离开切眼3 155m的工作面上方,长6 0 0 m,点数3 1个,两条测线交汇于点A11(B17)。两条测线的观测频率为每周一次,直至下沉稳定结束,走向共计观测19次历时2 3 4d,倾向观测17 次历时2 0 9 d。最终选取合理的监测期次绘制出地表移动变形特征图。北一B1终采线S12002主巷道S12003辅运巷道AA51A11(B17)A1S12002工作面S12003主巷道1B31S12003辅运巷道S12003工作面S12003外回风巷道图1工作面测线布置3风沙地貌超长大采高工作面开采地表移动变形特征分析S12002工作面
15、属于超长工作面大采高开采,属于初次采动影响。同时,在西部高强度采矿条件下,地表沉陷变形程度剧烈3.1地表下沉规律分析3.1.1地表下沉高强度的持续推进,地表形变不断变化,快速获取稳定的测线位移数据,如图2 所示。走向方向上,由于布设在工作面末端位置。倾向方向上,观测线位于距终采线8 0 0 m处,S12002工作面走向与倾向剖面下沉后,整体呈现“凹”形盆地特征,符合开采沉陷学沉降规律。从图2(a)中走向下沉曲线可知,当工作面回采至3 0 3 8.6 m时地表出现略微下沉,当回采3234.6m处,地表下沉量快速增加至2 3 2 9.6 mm,说明该点上覆岩层产生了破断下沉。在距开切眼450650
16、m,岩层活动剧烈,下沉量变化大且具有轻微震荡。最大下沉点A2回采3 0 3 8.6 3 3 3 2.6 m期间,沉降量最大,累计下沉达到了2 3 3 0 mm,总累计沉降为2 442 mm,距终采线9 8 0 m左右,占总沉降量的95%,回采位置正好处于距离终采线7 2 0 m处;经充分采动后,最大下沉值基本在2.0 2.4m。从图2(b)中倾向最终下沉线值可知,工作面断面位置中心点为B17(A 11),在井下回采至1222023年第7 期程研究探讨炭煤400r71300高菜2 19 8.6 m可采3 0 3 8.6 m-2001270采3 10 8.6 m/来3 2 3 4.6 m-8001
17、240采3 3 3 2.6 m采3 47 2.6 m-14001210米3 542.6 m采3 6 8 2.6 m-20001180采3 7 54.6 m回来3 8 6 2.6 m1150回采3 9 46.6 m-2600同来3 9 56 m-300-100100 3005007009001100结策后3 个月距终采线距离/m(a)走向下沉400r1300商菜2 19 8.6 m0可采3 0 3 8.6 m1280采3 10 8.6 m-400/口采3 2 3 4.6 m-8001260采3 3 3 2.6 m来3 47 2.6 m-12001240点米3 542.6 m来3 6 8 2.6
18、m-1600来3 7 54.6 m1220-2000来3 8 6 2.6 m回来3 9 46.6 m-24001200只菜3 9 56 m-300-200-1000100200300结策后3 个月距中心线/m(b)倾向下沉图2地表移动下沉曲线3234.6m,对倾向观测线部分观测站产生影响,影响范围为B3B28号观测点,其中影响最大下沉点出现在B14号观测点附近(距离走向中心线40 m左右,在其右侧),最大下沉量为2 3 11.6 mm,且最大下沉值偏向采空区方向;在未开采区下沉影响边界较小,左侧保护煤柱边界下沉点值为9 6.1mm,工作面右侧的保护煤柱侧出现59 6.7 5mm的下沉量,有一定
19、阻隔效果,但其影响边界扩展仍旧较大。3.1.2水平移动分析各时期的观测数据获取走向与倾向方向上的水平移动曲线,分析超大空间高强度开采条件下地表水平移动变化情况,如图3 所示。走向方向上在井下回采至3 8 6 2.6 m,最大正水平移动值417.9 mm,井下回采后3 个月,最大负水平移动值8 3 2.3 mm;从井下回采结束开始,走向方向上水平移动趋势渐缓,并趋于稳定。倾向方向上,在工作面不断推移过程中,邻近采空区侧产生的变形程度更大,在距中心线-12 0 m左右,出现最大正水平移动417.9 mm;在距中心线140m左右,出现最大负水平移动-57 5mm。由此可知,相邻工作面开采即使有2 0
20、 m保护煤柱,其下沉导致地表移动变形量增加,加之风积沙地貌地表松散,沙土覆盖,当裂隙贯穿时,极易导致突沙溃沙的风险10,16 综上分析,陕北风沙区超长工作面开采具有下沉响应速度快,伴随工作面回采,地表下沉变化快。从上图2(a)可知,地表进人超充分采动距离短60071300400高程1270菜2 19 8.6 m200口采3 0 3 8.6 m采3 10 8.6 mu/1240来3 2 3 4.6 m-200来3 3 3 2.6 m-40012103472.6m米3 542.6 m-6001180采3 6 8 2.6 m-800来3 7 54.6 m回-10001150来3 8 6 2.6 m来
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