深部大采高開采地表沉陷研究

文/魏?jiǎn)⒚鲝?qiáng)明

寧東礦區(qū)屬于典型的淺埋多煤層開采條件，開采沉陷損害特別是在淺部開采以塌陷坑損害、地表開裂裂隙迫害的非連續(xù)性移動(dòng)為主要特征。礦區(qū)采煤損害程度極為嚴(yán)重，各礦變形值均超過(guò)《規(guī)程》規(guī)定。羊場(chǎng)灣煤礦地處寧東礦區(qū)，是神華寧煤重要的煤炭生產(chǎn)基地，屬于新建礦井，一直未開展地表與巖層工作，缺乏地表移動(dòng)參數(shù)。為確保羊場(chǎng)灣煤礦“三下”采煤工作順利開展，推進(jìn)寧東基地資源綜合利用、改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，是當(dāng)前迫切需要解決的問(wèn)題。

一、地質(zhì)概況

神華寧煤集團(tuán)羊場(chǎng)灣煤礦為西北首座千萬(wàn)噸級(jí)現(xiàn)代化礦井，井田南北長(zhǎng)9.9km、東西寬12.8km，面積58.52km2。探明可采儲(chǔ)量5.30億噸，設(shè)計(jì)年產(chǎn)原煤1500萬(wàn)噸。由一號(hào)和二號(hào)井組成，兩井生產(chǎn)系統(tǒng)獨(dú)立，采用斜井開拓。觀測(cè)區(qū)130201工作面為羊場(chǎng)灣13采區(qū)首采面，走向長(zhǎng)度1550m，傾向長(zhǎng)度300m，平均垂深515.3m，開采煤層為二煤層，平均煤厚8.3m，煤層傾角5°，可采指數(shù)1。距煤層直接底板0.6m處含一層夾矸 （泥巖），結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，厚度變化在0.2～0.5m之間，平均厚0.3m，夾矸由工作面南部向北逐漸變薄。硬度系數(shù)f=1～2，韌性指標(biāo) 9～10。

二、地表移動(dòng)變形研究

1.觀測(cè)站建立

130201工作面設(shè)計(jì)形狀規(guī)整，受外界影響因素相對(duì)較少，地表也較為平坦，是建立地表移動(dòng)觀測(cè)站的良好場(chǎng)所。受工作面北側(cè)F201正斷層、Y212工作面采空區(qū)及切眼處工作面 （高差約20m）高地的影響，綜合考慮設(shè)置成剖面線觀測(cè)站，觀測(cè)線位于停采線一側(cè)。

由于130201工作面上方地表多為沙地，測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)和保存較為困難，為了更好地反映開采時(shí)地表沿走向和傾向兩個(gè)方向的移動(dòng)變化規(guī)律，綜合考慮觀測(cè)站設(shè)置一條傾向觀測(cè)線和半條走向觀測(cè)線，位置均在停采線一側(cè)，如圖1所示。

2.地表移動(dòng)變形觀測(cè)

羊場(chǎng)灣煤礦地表移動(dòng)觀測(cè)工作分連接測(cè)量、全面測(cè)量、日常觀測(cè)三個(gè)部分。本次共埋設(shè)控制點(diǎn)標(biāo)石7個(gè)（走向3個(gè)，傾向 4個(gè)），觀測(cè)點(diǎn)74個(gè)（走向31個(gè)，傾向43個(gè)），走向和傾向相鄰點(diǎn)間距30米。

3.觀測(cè)誤差分析

在觀測(cè)初期，分別對(duì)兩條觀測(cè)線共81個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了兩次全面觀測(cè)，通過(guò)對(duì)81個(gè)點(diǎn)的兩次觀測(cè)較值，根據(jù)中誤差計(jì)算公式，可以求得本次觀測(cè)站測(cè)量每個(gè)高程點(diǎn)的測(cè)量中誤差為：

考慮到氣候、溫度、點(diǎn)的穩(wěn)定性，以及采動(dòng)松軟等條件的影響，邊界下沉值誤差確定為10mm。

圖1 觀測(cè)站設(shè)計(jì)方案

4.移動(dòng)規(guī)律

本次共進(jìn)行了19次全面觀測(cè)，19次日常觀測(cè)，均按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了觀測(cè)和計(jì)算，基本獲得了本地質(zhì)采礦條件下的巖層與地表移動(dòng)變形規(guī)律，走向觀測(cè)線下沉情況如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

圖2130201 工作面地表巖移觀測(cè)走向線沉降過(guò)程線組合圖

圖3130201 工作面地表巖移觀測(cè)傾向線沉降過(guò)程線組合圖

圖4130201 工作面地表巖移觀測(cè)傾向線累計(jì)沉降量曲線圖

圖5130201 工作面地表巖移觀測(cè)傾向線累計(jì)沉降量曲線圖

結(jié)論：從走向和傾向方向的移動(dòng)變形曲線來(lái)看，最大下沉位于工作面中部，最大下沉點(diǎn)A22，下沉值達(dá)到3034mm，最大傾斜位于工作面邊界上方，最大曲率位于工作面邊界上方左右一定范圍之內(nèi)，最大水平移動(dòng)位于工作面邊界處，最大水平變形位于工作面邊界上方左右一定范圍之內(nèi)。

三、巖層移動(dòng)參數(shù)及其特征分析

1.主要移動(dòng)參數(shù)

在對(duì)實(shí)測(cè)資料分析的基礎(chǔ)上，求取了巖層與地表移動(dòng)參數(shù)，見(jiàn)表1所示。

表1 巖層與地表移動(dòng)參數(shù)

2.其他移動(dòng)變形特征

根據(jù)對(duì)實(shí)測(cè)資料和具體條件進(jìn)行綜合分析，開采為走向方向充分采動(dòng)，傾向方向?yàn)榉浅浞植蓜?dòng)條件下的規(guī)律，在此基礎(chǔ)上得到以下特征規(guī)律：

（1）本次開采下沉系數(shù)（率）0.73，在工作面邊界上方伴有裂縫現(xiàn)象的發(fā)生；最大下沉點(diǎn)偏向下山方向明顯 （最大下沉角達(dá)到 82.1°，系數(shù)約為 1.05）；走向、上山和下山方向的移動(dòng)角值基本相同。

（2）呈現(xiàn)危險(xiǎn)移動(dòng)范圍集中和下沉活躍期的集中性，活躍期為三個(gè)月。

（3）移動(dòng)角正切值偏大，根據(jù)計(jì)算為3，從這一值來(lái)看，又幾乎達(dá)到了充分采動(dòng)條件。

3.不足

在建立觀測(cè)站的基礎(chǔ)上取得了一些結(jié)論，但仍存在一些不足之處，結(jié)論仍需得到進(jìn)一步的驗(yàn)證，主要存在如下問(wèn)題：

（1）建立的130201工作面地表移動(dòng)觀測(cè)站，是對(duì)單一煤層（二煤）引起的地表移動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，尚未對(duì)多煤層開采的地表移動(dòng)變形規(guī)律進(jìn)行研究。

（2）通過(guò)實(shí)地觀測(cè)法研究了礦區(qū)地表與巖移規(guī)律，但所取得的結(jié)論可能由于觀測(cè)站布設(shè)方式、地質(zhì)因素、觀測(cè)方法的差異而缺乏代表性，還需要進(jìn)一步對(duì)羊場(chǎng)灣地表和巖層移動(dòng)規(guī)律進(jìn)一步研究。

（3）由于僅采用實(shí)地觀測(cè)法進(jìn)行地表沉陷研究，研究方法單一，缺少比對(duì)對(duì)象，要掌握更為確切的規(guī)律性數(shù)據(jù)與規(guī)律，還需要開展進(jìn)一步的驗(yàn)證、試驗(yàn)、觀測(cè)、分析和總結(jié)。