麻家梁井田煤層開采對(duì)地表變形預(yù)測(cè)研究

趙楚楚 劉永芳 王曉琴

（同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西朔州036000）

同煤集團(tuán)麻家梁礦井為朔南礦區(qū)在建千萬噸礦井之一，面積約104.292 4 km2，采用豎井開拓方式，目前主采山西組4號(hào)煤層，綜放開采方式。礦井投產(chǎn)于2014年，首采一、二采區(qū)，開采強(qiáng)度大，對(duì)上覆巖層和地表的影響比較大，首采區(qū)地表分布有農(nóng)田、村莊、工業(yè)廣場(chǎng)、公路等構(gòu)筑物，由于礦井為朔南井田首個(gè)開采大型礦井，附近無相關(guān)煤炭開采地表變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為分析井田開采后對(duì)地表影響程度，確保地表構(gòu)筑物的安全，合理規(guī)劃開采布局，根據(jù)井田開采技術(shù)條件，采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》（《開采規(guī)程》）中地表移動(dòng)變形最大值進(jìn)行地表變形預(yù)測(cè)。

1 井田地質(zhì)概述

區(qū)內(nèi)主要可采煤層為山西組4號(hào)煤層和太原組9號(hào)煤層，礦井首采區(qū)內(nèi)4號(hào)煤層埋藏深度達(dá)523 m，區(qū)內(nèi)新生界厚度變化較大，厚度介于145 m～320 m之間。基巖地層巖性主要為砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖、鋁土巖、煤和石灰?guī)r等組成。井田基本地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)為一單斜構(gòu)造，構(gòu)造簡(jiǎn)單，屬一類。

區(qū)內(nèi)4號(hào)煤層底板賦存標(biāo)高在505 m～730 m之間，西南部標(biāo)高較小，東北部標(biāo)高較大。煤層埋深與地形有關(guān)，總趨勢(shì)為西南部埋藏深，東北部埋藏淺。4號(hào)煤層賦存最淺部位于測(cè)區(qū)東北部，埋深為470 m左右，最深處在初期采區(qū)西南部邊緣，埋深為695 m。9號(hào)煤層的構(gòu)造形態(tài)與4號(hào)煤層一致，其煤層底板賦存標(biāo)高最大、最小和埋深最深、最淺部位與4號(hào)煤層基本相同，見表1。

表1 煤層底板極值及埋深極值

2 采煤方法

采煤方法采用綜采放頂煤采煤法，麻家梁井田4號(hào)煤層在一、二采區(qū)平均厚度分別為9.44 m和7.58 m，采煤機(jī)割煤高度均為3.5 m，放頂煤高度分別為5.94 m和4.08 m，采放比分別為1：1.70和1：1.17，全部垮落法管理頂板。

3 地面塌陷、地裂縫預(yù)測(cè)[1-2]

本次地表變形預(yù)測(cè)是根據(jù)本井田一、二采區(qū)地質(zhì)、煤層賦存條件、采煤方法等開采技術(shù)條件，采用《開采規(guī)程》中地表移動(dòng)變形最大值進(jìn)行地表變形預(yù)測(cè)。

3.1 地表移動(dòng)變形最大值的計(jì)算

最大下沉值Wcm=m?q?cosα(mm)；最大傾斜值icm=；最大曲率值；最大水平移動(dòng)值Ucm=b?Wcm(mm)；最大水平變形值εcm=±1.52?b

3.2 地表移動(dòng)變形基本參數(shù)（見表2）

表2 開采規(guī)程中地表移動(dòng)變形基本參數(shù)

根據(jù)礦井地質(zhì)報(bào)告，麻家梁礦井煤層覆巖相當(dāng)于中硬偏硬巖層。經(jīng)分析朔南礦區(qū)井田地質(zhì)情況，對(duì)比朔南礦區(qū)已有的開采沉陷地表移動(dòng)的基本參數(shù)，通過類比確定本次礦井開采地表移動(dòng)變形基本參數(shù)為：

①下沉系數(shù)：初采q0=0.56，一次重采q1=0.61，二次重采q2=0.64，三次重采以上q取值為0.68；

②水平移動(dòng)系數(shù)：b=0.3；

③開采影響傳播角：θ=90°-0.75α=86.25°，a為煤層傾角，a=5°；

④主要影響角正切：初次tgβ0=1.95，一次重采tgβ1=2.0，二次以上重采tgβ=2.3

⑤拐點(diǎn)偏距：S=0.15H（m）；

⑥主要影響半徑：r=H/tgβ；

⑦達(dá)到充分采動(dòng)時(shí)的條區(qū)尺寸：L=l≥2（r+s）；

根據(jù)以上因素，地表移動(dòng)變形基本參數(shù)見表3。

表3 麻家梁礦井地表移動(dòng)變形基本參數(shù)

3.3 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)

本次對(duì)5年內(nèi)回采4#煤層地表移動(dòng)變形進(jìn)行預(yù)計(jì)，4#煤層采后地表移動(dòng)變形值見表4。

表4 4#煤層采后最大地表變形值

3.4 全井田地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)

麻家梁礦井為近水平煤層，按充分采動(dòng)、冒落式開采、重復(fù)采動(dòng)等條件，根據(jù)表3確定的各煤層基本參數(shù)，計(jì)算了麻家梁礦井全部煤層采完后地表變形最大值見表5。

表5 麻家梁礦井地表移動(dòng)變形最大預(yù)測(cè)值

根據(jù)地表移動(dòng)變形值預(yù)計(jì)結(jié)果，區(qū)內(nèi)開采后的最大地表移動(dòng)值見表6。

表6 區(qū)內(nèi)開采后的最大地表移動(dòng)值

3.5 地面變形延續(xù)時(shí)間估算

采用《開采規(guī)程》中累積地表下沉10 mm時(shí)為移動(dòng)期的開始時(shí)間，在無實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可用時(shí)，地表移動(dòng)的延續(xù)時(shí)間（T）可用下列公式計(jì)算：

式中H為工作面平均采深（m）

本次預(yù)計(jì)適用期井田內(nèi)開采4號(hào)煤層，平均采深510 m，則T=1 275天，即適用期內(nèi)開采4號(hào)煤層引起的地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間為1 275天，約為3.5年。

上述地表移動(dòng)變形時(shí)間只是煤層開采后地表常規(guī)時(shí)間內(nèi)動(dòng)變形期。由于采空區(qū)完全充填、冒落物的充分壓密以及煤柱的變形等因素都影響地表移動(dòng)，因而地面變形將會(huì)延續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

采用《開采規(guī)程》中地表移動(dòng)變形最大值進(jìn)行地表變形預(yù)測(cè)，該方法適用于附近無相關(guān)煤炭開采地表變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或區(qū)域內(nèi)無開采歷史可供參考類比的區(qū)域，應(yīng)用大概率事件，通過計(jì)算地表變形最大值做為礦井建設(shè)依據(jù)，相對(duì)比較合理實(shí)際，缺點(diǎn)是應(yīng)用范圍局限性較大，由于文中公式計(jì)算基于經(jīng)驗(yàn)實(shí)測(cè)資料確定，缺乏對(duì)本地區(qū)的針對(duì)性，無法確定不同點(diǎn)位、不同地質(zhì)條件、不同開采技術(shù)條件下等因素造成的地表變形差異。

采煤結(jié)束后地表變形的準(zhǔn)確預(yù)計(jì)需要有詳實(shí)的地面變形預(yù)計(jì)參數(shù)，為了保證礦井在隨后的開采過程中更好地掌握煤層開采對(duì)地表變形的影響程度，為礦井合理布局提供可靠的基礎(chǔ)信息，后續(xù)可通過開展地表實(shí)地變形監(jiān)測(cè)，獲取地表變形的實(shí)際數(shù)據(jù)，分析礦區(qū)開采造成地表變形的規(guī)律，獲得準(zhǔn)確可靠的地表移動(dòng)變形參數(shù)。為礦井開采設(shè)計(jì)、煤柱留設(shè)，以及地表建（構(gòu)）筑物設(shè)防保護(hù)提供可靠的依據(jù)；同時(shí)也為礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)治理、制訂復(fù)墾規(guī)劃和選擇經(jīng)濟(jì)合理的復(fù)墾技術(shù)方法，提供原始技術(shù)資料。

根據(jù)本次預(yù)測(cè)結(jié)果，便于礦山企業(yè)合理規(guī)劃開采設(shè)計(jì)和制定合理的礦山地質(zhì)環(huán)境恢復(fù)治理方案，通過留設(shè)煤柱或按國(guó)家相關(guān)規(guī)范實(shí)施“三下采煤”，避免了地面塌陷對(duì)建筑物的嚴(yán)重破壞，保護(hù)了建筑物安全和人身安全，避免了巨大的經(jīng)濟(jì)賠償損失。