單一煤層連續(xù)開采地表移動規(guī)律研究

龐慶剛

(開灤(集團)有限責任公司錢家營礦業(yè)分公司，河北 唐山 063000)

厚松散層是開灤(集團)有限責任公司地質開采條件的特點之一，從20世紀八九十年代，開灤集團已經建立了各類地表移動觀測站，這些觀測站松散層厚度一般在67～300 m內變化，為研究開灤礦區(qū)厚松散層地表移動規(guī)律提供了大量的資料[1-5]。但是，隨著開采深度的逐步增大，礦井開采地質力學環(huán)境與淺部開采相比發(fā)生明顯改變，深部開采地表移動也呈現不同于淺部開采地表移動和變形規(guī)律[6-7]。目前開灤集團大部分礦井平均采深在600 m以下，但至今尚沒有該巖層條件下較完整的巖移觀測站資料和各種地表與巖層移動參數。

2012～2014年，開灤集團(錢家營)礦業(yè)分公司和中煤科工集團唐山研究院有限公司合作進行了十采區(qū)2075西工作面觀測站的建立、觀測及總結，并于2014年通過了開灤集團有限責任公司的課題鑒定，取得了較好的應用效果、經濟效益和社會效益。為繼續(xù)深入研究厚沖積層大采深下煤層連續(xù)開采地表移動規(guī)律，在十采區(qū)2075西工作面觀測站的基礎上繼續(xù)對2076西工作面觀測數據進行總結分析。

1 項目區(qū)概況

1.1 地質采礦條件

錢家營礦十采區(qū)目前主采七煤層，煤層傾角1°～9°，平均為7°；煤層平均開采厚度4.0 m，煤層平均開采深度-660 m，老頂為淺灰色細砂巖，頂板巖性為深灰色粉砂巖，底板巖性為深灰-灰褐色粉砂巖，該采區(qū)松散層厚度平均100 m，主要為砂土卵石和粘土卵石組成，基巖厚度約600 m，主要由泥巖和砂質泥巖組成。走向長壁式采煤法、全部垮落法管理頂板，2076西工作面位于十采區(qū)西翼，走向長1 270 m，傾向長196 m，南側為同煤層傾斜上方的2075西工作面已回采完畢。

1.2 觀測站設置與觀測概況

本觀測站繼續(xù)沿用2075西工作面的觀測線，即沿鐵路布置的一條傾向觀測線，并向北延伸200 m，新建控制點2個，利用原控制點1個；新建工作測點5個，利用原控制點1個。觀測線長約2.0 km，共有73個工作測點，平均間距25 m ；北邊控制點設3個，平均間距100 m。具體見圖1，觀測站布置示意圖。

圖1 觀測站布置示意圖

觀測站自2012年5月建成，2012年7月進行了連接測量和首次全面觀測，至2075西工作面回采完畢后于2014年4月進行了最后一次全面觀測，工作面上方累積下沉644 mm，地表未發(fā)現明顯的地裂縫。錢家營礦于2015年5月開始對2076西工作面進行回采，至2016年5月整個工作面回采完畢，初始觀測工作于2015年8月～2016年11月共對鐵路觀測線進行了11次水準測量。

2 地表觀測站觀測數據分析

2.1 觀測站受2076西單一工作面開采影響分析

礦方于2015年8月完成了觀測站的首次全面觀測，至9月11日第一次沉降觀測時，最大下沉點位于28號點，下沉值50 mm；隨著2076西工作面不斷推進，當推至2015年11月份觀測站正下方時，最大下沉位置位于27號點，最大下沉623 mm；至2016年1月份，工作面推進920 m，遠離觀測站265 m時，最大下沉值位于26號點，最大下沉值為1.172 m，最大下沉速度達到20.9 mm/d；至3月9日，26號點繼續(xù)下沉至1.519 m。期間由于地表下沉較大，為確保鐵路的安全運行，鐵路部門對鐵路進行了維修，對地基重新進行了起坡壓實，造成處于盆地中央的27～30測點點位被埋而無法觀測，因此根據實測數據無法確定最終地表累計下沉值，只能根據現有測點的下沉趨勢預計最終地表累計下沉值，預計2076西工作面開采完畢后最終地表最大下沉值為1.5～1.6 m。

2.2 觀測站受2075西、2076西工作面連續(xù)重復開采影響分析

該觀測站是2075西工作面觀測站的延續(xù)，至2014年4月最后一次沉降觀測，工作面傾向方向遠沒有達到充分采動所需的寬度尺寸，最大下沉點31號點的累計沉降值僅為644 mm。之后2076西工作面接續(xù)開采，觀測站受2075西工作面的殘余影響和2076西工作面的接續(xù)開采影響。

為了分析十采區(qū)單一煤層連續(xù)開采影響下地表移動變形規(guī)律，以2075西工作面未開采時2012年7月14日觀測結果為初始值，重新計算2076西工作面開采時的觀測站的沉降情況。取31號測點前后共21測個點2012年7月14日的沉降值和2015年8月25日首次全面觀測期間的沉降值，計算地表在2075西工作面的殘余影響、地表未受到2076西工作面回采波及的情況下地表的沉降值，地表已平均累計下沉約500 mm，因此以2012年7月14日觀測結果為初始值計算每次觀測時的沉降值，至2076西工作面回采完畢時，受煤層連續(xù)開采的影響，預計地表最大下沉值約為2.0～2.1 m。

3 地表移動規(guī)律研究

3.1 最大下沉點下沉規(guī)律

綜合分析觀測線上測點主要受2076西工作面的采動影響和2075西工作面采后波及影響，最大下沉點呈現不充分采動時下沉規(guī)律：最大下沉點由2075西工作面盆地中央31號點向工作面推進方向移動，至2076西工作面開采時，最大下沉點移動至采空區(qū)邊緣28號點，隨著2076西工作面回采完畢，最大下沉點移向傾向觀測站中心23號點，最大下沉值也由2075西工作面采后最大下沉值644 m逐漸下沉，至2076西工作面回采完畢時，受煤層連續(xù)開采的影響，推算最大下沉值約為2.0～2.1 m。地表移動盆地形成過程見下圖2。

圖2 地表移動盆地形成過程

3.2 巖移參數變化規(guī)律

(1)根據觀測站實測數據求取了2076西工作面開采下綜合邊界角為51°，下沉系數0.91，主要影響角正切為2.0，通過巖移參數發(fā)現該煤層連續(xù)開采后的地表移動符合重復采動影響的規(guī)律，即移動過程劇烈，地表下沉值增大，地表移動速度加大等。

(2)重復采動時，受初次開采破壞的巖體進一步破壞，使巖層和地表的破壞程度加劇，破壞范圍加大，地表出現地裂縫，使地表不連續(xù)，附近村莊的民房墻上出現明顯的裂縫。

3.3 地表移動特性分析

地表移動特征包括沉陷盆地形態(tài)、動態(tài)發(fā)育過程以及變形曲線特征等[8-10]，2075西工作面采后地表移動盆地范圍遠大于工作面開采范圍，沉陷盆地呈“橢圓”形態(tài)，且隨著距工作面的距離增加，這種形態(tài)愈加明顯。由于工作面傾向開采尺寸未達到1.2～1.4H0(為平均開采深度)，地表沉陷未到該地質采礦條件下的最大值，最大下沉值為644 mm，只占到平均采厚(4 m)的16%，與工作面開采尺寸比(傾向長/走向長)成正比(2075西工作面實際開采尺寸195/1 200為16%)，隨著2076西工作面的開采，工作面沿傾向方向尺寸加大，最大下沉值為2.0～2.1 m，占平均開采厚度(4.0 m)的45%～48%，此時，2075西與2076西工作面在傾向上的尺寸達到了400 m，工作面開采尺寸比約為35%。

4 結 論

本文根據對現場數據的實測分析得出厚松散層大采深單一煤層連續(xù)開采下地表移動規(guī)律，反映了煤層重復開采時的地表移動情況，對于指導工作面接續(xù)開采時的地表移動情況具有重要的意義。