莒山煤礦ZF306 綜放工作面開采地表移動變形規(guī)律研究

楊 樹 才

（山西蘭花集團莒山煤礦有限公司，山西 晉城048002）

煤炭開采后造成的地表沉陷發(fā)展過程十分復雜，地表沉陷與采礦條件、地質條件等因素密切相關[1-2]?，F(xiàn)階段地表沉陷分析主要通過在地表布置測站對地面下沉進行實時觀測，后對觀測數據進行綜合分析，從而掌握地表變形規(guī)律[3-5]。莒山煤礦開采的ZF306 綜放工作面位于礦區(qū)東830～1350m 處，附近分布有部分的構筑物，采面回采過程中引起的地表位移可能會給部分構筑物使用安全帶來一定影響。為此，在ZF306 綜放工作面對應地表上構建觀測站，以期掌握開采引起的地表移動規(guī)律，并指導ZF306 綜放工作面后續(xù)開采。

1 工程概況及地表測站布置

1.1 工程地質概況

莒山煤礦ZF306 綜放工作面為3#煤層大巷煤柱回采工作面，主采的3#煤厚度介于5.51～6.16m，平均厚5.83m，中間夾雜有2～3 層泥巖矸石，煤層結構整體較為簡單。3#煤層賦存較為穩(wěn)定，埋深平均120m，為全區(qū)可采煤層，上覆存在的賦存不穩(wěn)定的薄層泥巖偽頂，直接頂為細砂巖、粉砂巖為主，基本頂為粗砂巖為主，直接底為砂質泥巖。ZF306 綜放工作面設計回采距離為950m、采面切眼長度為90m，采煤高度為2.0～2.5m，放煤高度3.0～5.68m。采面推進速度在1.8～4.8m/d，平均推進速度為3.6m/d。

1.2 地表測站布置

圖1 測點布置示意圖

在ZF306 綜放工作面對應地表上布置4 條測線，其中走向測站1 條、傾向測線3 條，具體布置見圖1 所示。其中傾向每隔50m 布置1 條測線，共有A、B、C3 條測線，測點編號分別為A1-A8、B1-B8、C1-C8；走向測線每隔80m 布置1 個測點，共計布置12 個，編號依次為Z1～Z12。地面測點觀測高程測量采用水準儀實現(xiàn)、平面坐標測量采用全站儀觀測。

2 地表變形移動規(guī)律分析

2.1 地表變形形態(tài)分析

地面變形可能呈現(xiàn)的形式主要有地表裂隙、地表沉陷盆地[6]。ZF306 綜放工作面回采后，根據現(xiàn)場地表巖層移動觀測發(fā)現(xiàn)地表變形形態(tài)為地表沉陷盆地且發(fā)育有地表裂縫。地表裂縫分布形態(tài)多為臺階裂縫，最大落差為220mm、裂縫寬度最大110mm、發(fā)育深度約為3.0m，地表裂縫發(fā)育位置集中在采面回采巷道兩側，整體分布呈橢圓形分布。

2.2 地表變形規(guī)律分析

ZF306 綜放工作面開采后地表變形沉陷呈現(xiàn)連續(xù)漸變特征，地表移動變形位置集中在采空區(qū)對應地表，在采空區(qū)兩側對應地表至地面下沉盆地邊緣范圍內地表下沉以及水平移動值呈降低趨勢，且變形量值均較小。經過10 個月持續(xù)監(jiān)測，具體獲取到的地表測點最大變形量值見表1。

表1 地表最大移動變形量實測結果

ZF306 綜放工作面在回采過程中，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)地表最大下沉量值、最大傾斜值分別為2 562mm、-43.2mm/m; 最大水平位移以及最大水平變形值分別為1437mm、-23.1mm/m

為直觀表達地表沉陷情況，以A2 測點為坐標原點，設定地表高程為+1 200mm，通過對監(jiān)測數據處理分析，具體得到采面各測線對應走向、傾向變化曲線，具體見圖2、3 所示。

圖2 工作面走向觀測線沉降曲線

經過數據測試分析，發(fā)現(xiàn)下沉量最大位置出現(xiàn)在Z6 點位置，最大下沉量達到2 562mm，通過與礦井地質資料對比分析，發(fā)現(xiàn)該位置對應有X3 陷落柱，陷落柱影響寬、長分別為8、5m，陷落柱內膠結性較差，從而使得地表下下沉量增加。

圖3 傾向觀測線沉降變化曲線

3 地表移動參數

地表移動參數是表征地面移動變形特征、程度的數值，主要表征參數包括有移動角、最大下沉角、地表移動啟動距以及地表移動延續(xù)時間等[6～8]。

3.1 移動角

根據地面測點變形監(jiān)測結果，在采面走向方向上曲率為0.2×10-3/m 的臨界點位于Z2、Z3 測點間，約為采面切眼正上方位置，因此認為采面走向移動角δ=90°；在傾向方向上曲率為0.2×10-3/m 的臨界點位于B7、B8 測點間，與ZF306 主運巷間距約為10～25m，據此可判定下山移動角β=85°。

3.2 最大下沉角

在ZF306 工作面地表最大下沉點為Z6 點位置，但該位置下沉量較大主要原因是受到陷落柱影響，從而導致下沉量有所增加。因此，根據將陷落柱影響區(qū)域以外的測點（Z8）下沉量求解最大下沉角。Z8 點位于采面采空區(qū)對應中心位置，因而求得最大下沉角θ=90°。

3.3 地表移動啟動距

一般情況下采面回采時地表移動啟動距約為0.25 倍～0.5 倍煤層埋深（H），在ZF306 工作面推進88m 時地表測點表現(xiàn)出一定下沉，其中最大下沉點為Z4 測點，下沉量為11mm，因此可斷定ZF306 回采時地表移動啟動距為88m，約為0.28H。

3.4 地表變形時間

從監(jiān)測結果得知，地表下沉量最大的測點為Z5～Z9，分析上述測點變化趨勢發(fā)現(xiàn)：

Z5～Z9 測點在下沉速度表現(xiàn)出前緩慢增加、后持續(xù)快速增加、最終趨于平穩(wěn)趨勢。地表移動初始時間較短，僅為5d，后快速進入到地表下沉活躍期，其中活躍期持續(xù)時間約為90d，平均下沉量達到21.5mm/d。地表變形活躍期下沉量可達到下沉總量的93%。

4 結束語

1）對ZF306 綜放工作面開采期間引起的地表變形進行現(xiàn)場測試，從而得到該礦3# 煤層開采期間的地表變形規(guī)律，可為地表構筑物保護提供一定數據支撐。

2）在監(jiān)測期間Z6 測點下沉量最大，通過比對地質資料，發(fā)現(xiàn)該測點收到X3 陷落柱影響，從而導致下沉量值有所增加，表明地質構造對地表位移變化有一定影響。

3）在ZF306 綜放工作面回采期間地表變形總體呈現(xiàn)逐漸變化趨勢，但在某個階段地表下沉量呈現(xiàn)快速增加趨勢。地表下沉主要集中在活躍期期間，活躍期下沉量占地表總下沉量約為93%。