王家塔煤礦首采工作面地表變形規(guī)律

張德民 王 瑞

(1.新能礦業(yè)有限公司王家塔煤礦；2.江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院)

王家塔煤礦位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市境內(nèi)，隸屬鄂爾多斯市伊金霍洛旗納林陶亥鎮(zhèn)管轄，地處東勝區(qū)城區(qū)以南約9 km處。井田位于東勝煤田東北部，礦井設(shè)計(jì)年產(chǎn)500萬t，核定生產(chǎn)能力為680萬t/a。王家塔井田西部有包神鐵路，北部有呼準(zhǔn)鄂高鐵和東銅鐵路從井田通過，榮烏(G18)高速公路從井田北部東西向通過，因此研究地表移動(dòng)規(guī)律，合理留設(shè)煤柱至關(guān)重要[1-3]。本研究通過在該礦首采3101工作面建立地表移動(dòng)觀測站，并以該觀測站的實(shí)測資料為基礎(chǔ)，對該礦在煤層埋藏淺、開采厚度大、推進(jìn)速度快的開采條件下的巖移規(guī)律進(jìn)行探討。

1 觀測站概況

本研究觀測站設(shè)置于王家塔煤礦首采3101工作面上方，觀測站所處區(qū)域?yàn)榍鹆甑貐^(qū)，地形復(fù)雜多樣[3]，海拔最高1 410 m，最低1 350 m。3101工作面開采煤層為3-1#煤層，該工作面煤層最小厚度為3.60 m，最大厚度為9.20 m，平均厚度為6.32 m。工作面所采煤層上部巖層主要由砂質(zhì)泥巖和粉砂巖構(gòu)成，底板主要為砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，局部為細(xì)粒砂巖[4]。觀測站所在區(qū)域煤層平均傾角為2°，近于水平煤層，平均采深220 m。根據(jù)XE28鉆孔資料，設(shè)站地區(qū)溝谷主要由風(fēng)積砂覆蓋，第四系松散層厚度為5 m，坡頂有少量殘積土，基本無第四系沉積。3101工作面長300 m，走向長2 680 m，回采月推進(jìn)度平均為200 m，采用走向長壁式采煤法，全部垮落法管理頂板[3]。

2 觀測站設(shè)計(jì)與觀測

2.1 設(shè)計(jì)原則

設(shè)立地表移動(dòng)觀測站的目的是為了確定移動(dòng)變形與地質(zhì)采礦條件的關(guān)系，觀測結(jié)果的準(zhǔn)確性與設(shè)站的合理性直接相關(guān)。本研究觀測站的布設(shè)原則為：①觀測線布設(shè)位置應(yīng)與地表移動(dòng)盆地主斷面重合；②觀測線上的測點(diǎn)密度應(yīng)根據(jù)開采深度和設(shè)站目的而定，具體在《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》中有所要求；③觀測線長度應(yīng)大于地表移動(dòng)盆地范圍，即觀測線應(yīng)延伸至地表移動(dòng)盆地之外；④觀測期間的設(shè)站地區(qū)不應(yīng)受到鄰近工作面開采影響；⑤控制點(diǎn)應(yīng)布設(shè)于不受工作面采動(dòng)影響的地表移動(dòng)盆地范圍外；⑥測點(diǎn)應(yīng)埋設(shè)牢固，使得測站移動(dòng)與地表移動(dòng)變形能夠同步進(jìn)行，以便有效反應(yīng)地表移動(dòng)狀況[5-6]。

2.2 觀測站布設(shè)方式

3 地表移動(dòng)規(guī)律及巖移參數(shù)計(jì)算

3.1 地表移動(dòng)規(guī)律

通過對觀測站進(jìn)行監(jiān)測，走向Ⅰ線、走向Ⅱ線及傾向線的監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)測地表最大移動(dòng)變形值

在對實(shí)測數(shù)據(jù)整理、校核的基礎(chǔ)上，依據(jù)《煤礦測量規(guī)程》中的相應(yīng)公式分別計(jì)算了走向Ⅰ線、走向Ⅱ線和傾向線不同觀測時(shí)段各測點(diǎn)和測點(diǎn)間的移動(dòng)變形[7-10]。分析圖1～圖3可知：地表移動(dòng)變形在工作面回采過程時(shí)間段內(nèi)異?；钴S，1個(gè)月內(nèi)地表累計(jì)下沉值達(dá)到2 722 mm，其中地表最大下沉速度達(dá)106.1 mm/d；地表最大下沉量位于下沉盆地底部，而采區(qū)邊界處的下沉量迅速減小，下沉盆地邊界收斂慢，呈陡峭姿態(tài)，同時(shí)采空區(qū)上方出現(xiàn)了1條明顯的南北走向裂縫[8]。通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，下沉盆地邊緣出現(xiàn)了比較固定的裂縫，主要位于工作面開切眼位置兩側(cè)，裂縫發(fā)育方向和回采煤層傾向保持一致，根據(jù)實(shí)際調(diào)查，裂縫最小寬度為22 mm，最大寬度為55 mm，伴有較明顯的階梯狀裂縫帶，以工作面開切眼位置地表裂縫最為發(fā)育，裂縫最大寬度約為250 mm。工作面推進(jìn)過程中，推進(jìn)方向動(dòng)態(tài)拉伸區(qū)域中接連出現(xiàn)動(dòng)態(tài)裂縫，呈弧狀與回采線保持平行，各條裂縫出現(xiàn)間隔通常為6～10 m，單條裂縫寬度通常為10～30 mm，經(jīng)歷20 d左右的發(fā)育成熟期，裂縫逐漸閉合并且消失。

3.2 巖移參數(shù)計(jì)算

地表移動(dòng)初始期較短，約46 d，活躍期相對較長，為112 d，其中劇烈活動(dòng)期(下沉速度大于1.67 mm/d)的持續(xù)時(shí)間僅為24 d，地表下沉速度較大。3101工作面地表下沉速度為106.1 mm/d，工作面回采地表移動(dòng)持續(xù)總時(shí)間約334 d，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)計(jì)算出的開采移動(dòng)角如表2、表3所示。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)王家塔煤礦3101工作面的地表實(shí)際情況布設(shè)了觀測站，根據(jù)地表巖移監(jiān)測結(jié)果，分別求出了走向Ⅰ線、走向Ⅱ線和傾向線的邊界角、移動(dòng)角、裂縫角。經(jīng)過綜合分析，確定3101工作面邊界角為45°～53°，平均為50°；移動(dòng)角為78°～79°，平均為78°；裂縫角為80°～81°，平均為80°。由于該礦煤層近似水平，為安全考慮，在礦區(qū)進(jìn)行“三下”采煤、留設(shè)保安煤柱和確定開采影響塌陷范圍時(shí)，建議取較小值，即邊界角45°，移動(dòng)角78°，裂縫角80°。

圖1 走向Ⅰ線實(shí)測移動(dòng)變形曲線

圖2 走向Ⅱ線實(shí)測移動(dòng)變形曲線

圖3 傾向線實(shí)測移動(dòng)變形曲線

表2 上山、下山及走向方向的邊界角、移動(dòng)角、裂縫角

表3 王家塔煤礦綜放開采動(dòng)態(tài)巖移參數(shù)

(2)王家塔煤礦地表移動(dòng)變形規(guī)律可采用概率積分法進(jìn)行分析。根據(jù)地表移動(dòng)觀測站的實(shí)際觀測資料，采用空間問題求參法，求取了地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)參數(shù)和邊界角、移動(dòng)角等參數(shù)，由于3101工作面正上方地貌主要為侵蝕性丘陵地貌，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差評(píng)定及修正，反演出的下沉系數(shù)q=0.73、水平移動(dòng)系數(shù)b=0.22、主要影響角正切值tanβ=2.6、拐點(diǎn)偏移距s=0.15H(采深)、開采影響傳播系數(shù)k=0.65。