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表土层和基岩对地表沉陷的影响

摘要：通过对表土层及基岩结构的分析,提出了对地表沉陷主要影响因素的判别方法,给出了判别公式,并以山西天地王坡煤业有限公司综放工作面为研究对象,分析了工作面上覆基岩关键层结构、位置及表土层结构.同时通过地表监测,给出了地表移动变形特征参数,验证了判别方法的正确性.

关键词：地表沉陷；表土层；基岩；关键层

中图分类号：TD325文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2018.07.066

煤层开采后,地层原始结构发生破坏,上覆岩层在破断运移过程中会发生运动变形而形成地表沉陷[1-3].为有效解决地表沉陷引起的土地与建筑物破坏等环境问题,本文通过理论分析、地表实测,研究了表土层与基岩对地表移动变形的控制作用,对比分析了表土层与基岩控制下的地表移动变形特征,为地表沉陷规律的预计提供了参考.

1表土层对地表沉陷的影响分析

一般来说,当表土层较薄时,地表沉陷主要受基岩的控制作用,当表土层厚度较大时,表土层的特性将对地表沉陷产生重要影响[4-5].厚度较大的表土层主要由松散层及黏土层组成,由于黏土层具有塑性强、黏性高、含水率高、渗透性差的特点,在一定条件下具有较大的容许承载能力.根据文献[6]介绍的著名采矿学家普罗托吉雅可诺夫的理论,工作面表土层形成稳定结构的最大跨距（极限跨距）Lmax与可能形成的自然平衡拱的最大高度（黏土最大厚度）h之间的关系为

Lmax等于2hf.（1）

式中：f为岩石的坚固性系数.

由此可知,在一定的距离内,黏土层会“成拱自稳”.在“自稳”条件下的黏土层具有一定的承载能力,承载着上覆表土层的重力载荷,从而使表土层形成一种稳定的结构,这样就阻挡了下伏岩层对松散层的作用.在一定范围内当因采动引起表土层下部岩层发生运动时,由于黏土层具有自稳作用,因此地表沉陷受采动影响较小.

2基岩对地表沉陷的影响分析

在煤层采动过程中,上覆岩层的整体运动或局部运动主要受关键层的控制,相关研究[7-8]表明关键层对覆岩的运动和地表沉陷有重要的控制作用,当基岩较薄或煤层埋藏较浅时,上覆岩层中只存在一层关键层,该关键层对基岩及地表沉陷起到整体的控制作用；当基岩厚度较大或煤层埋藏较深时,上覆岩层中可能存在多组关键层,在此条件下,上覆岩层中的主关键层对岩层整体运动及地表沉陷的动态过程起控制作用,亚关键层分别控制着部分岩层的运动.

假设基岩中存在3层关键层,分别为CⅠ,CⅡ,CⅢ,其中主关键层为CⅢ,位于煤层上覆岩层的第k层,那么主关键层所承载的上位岩层至第n层的载荷为

式中：Ek,……,En为主关键层及上覆各岩层的弹性模量；γk,…,γn为主关键层及上覆各岩层的覆岩容重.根据关键层的刚度条件可知,主关键层的最大断裂步距为

式中：Rt为关键层的抗拉强度.

随着煤层采动的进行,主关键层发生断裂,此时存在3种情况.一是当其断裂步距L小于表土层自稳成拱的极限跨距Lmax时,关键层发生断裂,表土层在其极限跨距内仍能保持相对稳定状态,地表沉陷主要受表土层的控制；二是当主关键层断裂步距L大于表土层成拱的极限跨距Lmax时,随着工作面推进到一定距离后,未断裂的关键层在其挠度范围内发生挠曲变形,表土层自稳结构受到破坏,此时地表沉陷主要受关键层的控制；三是当主关键层断裂步距L与表土层成拱的极限跨距L相等时,地表沉陷受关键层与表土层的协同控制.

3表土层与基岩对地表沉陷影响的实测研究

以山西天地王坡煤业有限公司3213工作面地表测点为实测对象,验证基岩与表土层对地表沉陷的控制作用.

3.1实测工作面概况

山西天地王坡煤业有限公司3213工作面位于3215工作面东侧11m处,位于3209工作面西侧392m,南部为集中大巷,北部为矿井田边界,工作面所采煤层为3号煤层,煤层厚度为3.8~5.2m,平均厚度为4.6m,倾角为2°~10°,工作面采用放顶煤工艺开采,其中采2.9m,放1.7m,采放比为1∶0.6.煤层基本顶是平均厚度为9m的中砂岩,深灰色,硅钙质胶结,局部含有大量云母,有时含有炭质条带,具斜波状层理；直接顶是平均厚度为2m的砂质泥岩,灰黑色,夹薄层泥岩,局部含粗粉砂岩,可见植物化石碎片；伪顶是厚度为0.3m的炭质泥岩,黑色,质软,可见植物化石,随采掘脱落；煤层底板是厚度为10.7m的砂质泥岩或细砂岩.地表为黄土山区,地貌沟谷纵横.图1为工作面地表测线布置图.

3.2工作面上覆基岩结构及关键层位置判别

3213工作面上覆岩层基岩平均厚度为317m,根据地质柱状资料可知,工作面上覆岩层主要由砂质泥岩、中细砂岩、粗砂岩及砾岩构成,在判别关键层时,将煤层以上直接顶岩层设定为第1层,依次逐层类推,可知表土层为第25层,记为C25.根据关键层判别准则,可确定工作面上覆基岩层存在3层关键层：厚度为9m的中砂岩C3、厚度为16.1m的砾岩C14、厚度为21.0m的粗砂岩C19.图2为工作面上覆岩层关键层位置图.其断裂步距分别为L3等于30.9m；L14等于40.5m；L19等于60.4m.

3.3表土层结构特性分析

工作面表土层厚度为95m,下部为浅棕红色黏土,厚度为50m,记为C25-Ⅰ；上部为松散黄土层,厚度为45m,记为C25-Ⅱ.根据该矿资料,黏土层平均坚固性系数f可取0.9,代入式（1）可知,Lmax等于90m.由此可知,当上覆岩层的主关键层发生断裂时,表土层中黏土成拱的稳定结构已经受到破坏,地表沉陷主要受到基岩关键层的控制.

3.4实测结果分析

表1为工作面地表移动变形最大值的实测结果.由表1可知,3213工作面地表最大下沉量及最大变形量较小,这是因为工作面开采完毕后,虽然走向方向达到充分采动,但是由于工作面长度较小,工作面倾向方向关键层并未发生断裂,主关键层及其上位基岩仍具有整体结构的稳定性,使得地表移动变形较小.

4结论

本文通过理论分析与现场实测的方法研究得出,表土层对地表沉陷的影响主要体现在黏土层的稳定结构,而基岩对地表沉陷的控制作用主要体现在基岩中关键层结构的稳定性.具体而言,当基岩中关键层断裂步距大于表土层中黏土层自稳成拱的极限跨距时,基岩为地表沉陷的主控因素；当关键层断裂步距小于黏土层成拱极限跨距时,表土层为地表沉陷的主控因素.

参考文献：

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[6]方新秋,黄汉富,金桃,等.厚表土薄基岩煤层开采覆岩运动规律[J].岩石力学与工程学报,2008,27(S1):2700-2706.

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（责任编辑邸开宇）

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