阜生煤業(yè)1106綜放工作面地表下沉量觀測(cè)與結(jié)果分析

徐青松

(潞安集團(tuán) 左權(quán)阜生煤業(yè)有限公司，山西 左權(quán) 032600)

綜放開(kāi)采一次采出煤厚較大，這將導(dǎo)致極為嚴(yán)重的地表沉降和大規(guī)模的地表裂縫，在地表產(chǎn)生大量臺(tái)階，使得采煤塌陷區(qū)范圍內(nèi)的道路受損，并對(duì)地表環(huán)境產(chǎn)生極其惡劣的影響[1-3]。因此，非常有必要對(duì)綜放工作面地表移動(dòng)及下沉進(jìn)行觀測(cè)，并制定嚴(yán)密的地表修復(fù)措施，對(duì)裂縫及時(shí)進(jìn)行回填和修復(fù)[4]。

1 工程概況

阜生煤業(yè)1106綜放工作面開(kāi)采15號(hào)煤層，煤層為黑色，半亮型～半暗型煤。煤層內(nèi)生裂隙不發(fā)育，見(jiàn)平行層狀節(jié)理，含黃鐵礦結(jié)核及散晶。15號(hào)煤層結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，含0～3層夾矸，煤層厚度約5.8 m，傾角5～16°，平均9°。工作面切眼長(zhǎng)度為132.5 m，走向長(zhǎng)度為675 m，如圖1所示。采高3.0 m，放煤高度2.8 m，采放比1∶0.966，工作面循環(huán)進(jìn)度為0.8 m。工作面標(biāo)高為+1 031～1 163 m，對(duì)應(yīng)地表標(biāo)高+1 222～+1 310 m，工作面埋深為+59 ～+252 m。

1106綜放工作面總體呈東北向高、西南向低態(tài)勢(shì)，為一北西傾向單斜構(gòu)造，煤層局部地方底板有起伏變化，形成小型褶曲，褶曲轉(zhuǎn)折端煤層及頂板裂隙極為發(fā)育，煤層較為破碎。1106工作面巷道掘進(jìn)期間共揭露3個(gè)構(gòu)造，分別如下：F10斷層，距運(yùn)巷開(kāi)口約97 m，落差2 m、走向32°、傾角48°，不在回采范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)回采產(chǎn)生影響；X15陷落柱，影響工作面推進(jìn)約46 m，沿切眼方向約31 m；X21陷落柱，影響工作面推進(jìn)27 m，沿切眼方向約11 m。

2 地表移動(dòng)觀測(cè)站布設(shè)

為獲得阜生煤業(yè)1106綜放工作面較為準(zhǔn)確的地表移動(dòng)情況，根據(jù)工作面上賦巖層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、地表地形及地物分布情況，按照前期預(yù)測(cè)得到的工作面開(kāi)采地表沉陷結(jié)果，分別在工作面上方對(duì)應(yīng)地表布設(shè)了2條觀測(cè)線，并設(shè)置巖移觀測(cè)站。沿1106綜放工作面走向布設(shè)1條走向觀測(cè)線A，共布置測(cè)站66個(gè)，測(cè)線方向與工作面走向一致，沿1106綜放工作面傾向方向布設(shè)傾向觀測(cè)線B，共布置測(cè)站34個(gè)，且傾向線與走向觀測(cè)線A垂直; 走向觀測(cè)線長(zhǎng)度為800 m，傾向觀測(cè)線總長(zhǎng)度為200 m，如圖2所示。

3 地表移動(dòng)觀測(cè)結(jié)果分析

3.1 地表沉陷盆地特征分析

從1106綜放工作面開(kāi)始回采到1106綜放工作面回采結(jié)束后6個(gè)月，現(xiàn)場(chǎng)共計(jì)進(jìn)行全面地表移動(dòng)觀測(cè)30次，依據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制了工作面對(duì)應(yīng)地表走向移動(dòng)觀測(cè)線A和傾向觀測(cè)線B的下沉曲線，如圖3所示。圖3橫軸為測(cè)點(diǎn)編號(hào)，在工作面走向測(cè)線A從開(kāi)切眼到停采線測(cè)點(diǎn)編號(hào)從小到大依次增加。傾向線B測(cè)點(diǎn)編號(hào)由北至南從小到大依次增加。

圖3 不同時(shí)期的地表下沉曲線

由圖3(a)可知，走向下沉曲線A在工作面走向方向具有明顯的起伏變化，這是由于1106工作面走向方向上煤層厚度不斷變化造成的，但開(kāi)采造成的地表移動(dòng)盆地在走向方向具有明顯的盆底特征，走向方向地表剖面形狀呈明顯盤(pán)形，這表明地表已經(jīng)達(dá)到充分采動(dòng)狀態(tài)，因而具有盆地特征。由圖3(b)可知，工作面傾向下沉曲線B則無(wú)明顯盆底特征，屬于非充分采動(dòng)狀態(tài)，這是由于工作面長(zhǎng)度較短，使得上覆巖層不能充分垮落，且采空區(qū)處垮落巖層未能得到充分壓實(shí)作用，因而，地表移動(dòng)和變形具有顯著的連續(xù)漸變特點(diǎn)。

3.2 主要巖移預(yù)計(jì)參數(shù)的求取

充分采動(dòng)狀態(tài)下，當(dāng)在煤層傾角α小于50°時(shí)，地表下沉系數(shù)為[6]：

q=Wcm/(m×cosα)

(1)

式中：Wcm為地表最大下沉值，m為煤層厚度，α為煤層傾角。傾向線B煤層厚度為6.3 m，最大下沉點(diǎn)Q19處的地表下沉值為5.1 m，傾角9°。計(jì)算得，地表下沉系數(shù)q≈0.82。地表水平移動(dòng)系數(shù)為最大水平移動(dòng)值與地表最大下沉量的比值，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中，地表最大水平移動(dòng)值為1.6 m ，地表最大下沉值為5.1 m，計(jì)算得到水平移動(dòng)系數(shù)為b= 0.31。

3.3 地表最大下沉速度分析

煤層開(kāi)采后，覆巖應(yīng)力將發(fā)生重新分布，在采動(dòng)應(yīng)力作用下采空區(qū)巖層將發(fā)生破壞、垮落，并逐步影響至地表，導(dǎo)致地表沉降。在此過(guò)程中，地表下沉速度從零開(kāi)始逐漸增大，并在達(dá)到最大值后逐漸減小，最后趨于零。地表下沉速度的變化主要與煤層采高、頂板管理方式、覆巖破斷形成的結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)[5]。圖4為不同時(shí)期最大下沉點(diǎn)地表下沉速度及下沉量曲線，橫坐標(biāo)t為時(shí)間(單位：月)，縱坐標(biāo)W表示垂直下沉量(單位：mm)，縱坐標(biāo)V表示下沉速度(單位：mm/d)，縱坐標(biāo)L為水平移動(dòng)量(單位：mm)。由圖4可知，本次地表移動(dòng)觀測(cè)中，在工作面回采期間觀測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)的地表最大下沉速度較大，為142 mm/d，這說(shuō)明1106綜放開(kāi)采地表沉降非常明顯，地表變形極為劇烈。

圖4 1106綜放工作面最大下沉點(diǎn)的地表下沉速度

3.4 地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間分析

地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間是指地表從開(kāi)始發(fā)生移動(dòng)下沉到地表移動(dòng)下沉穩(wěn)定的時(shí)間間隔，一般可將這一過(guò)程劃分為3個(gè)階段[6]。

1) 地表移動(dòng)初始期：從地表發(fā)生移動(dòng)下沉(地表最大下沉量達(dá)到10 mm 時(shí)即為地表移動(dòng)的開(kāi)始時(shí)間)到地表下沉速度達(dá)到1.7 mm/d的這一階段稱為地表移動(dòng)初始期。

2) 地表移動(dòng)活躍期：地表從開(kāi)始發(fā)生移動(dòng)下沉到下沉速度大于1.7 mm/d 的階段。

3) 地表移動(dòng)衰退期：從地表下沉速度小于1.7 mm/d開(kāi)始到連續(xù)6個(gè)月地表下沉值均小于30 mm的這一階段。

由圖4可知，1106綜放面地表移動(dòng)初始期約為23 d，活躍期時(shí)長(zhǎng)約為142 d，衰退期約為40 d，地表移動(dòng)延續(xù)時(shí)間約為205 d。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 阜生煤業(yè)1106綜放工作面為走向充分而傾向非充分采動(dòng)工作面，通過(guò)計(jì)算可得地表下沉系數(shù)為0.82，而水平移動(dòng)系數(shù)為0.31。

2) 1106工作面對(duì)應(yīng)地表的最大下沉速度約為142 mm/d，工作面地表移動(dòng)持續(xù)時(shí)間約為205 d，其中地表移動(dòng)活躍期達(dá)到總時(shí)間的68%，活躍期相對(duì)較長(zhǎng)，說(shuō)明綜放開(kāi)采的地表沉降較為活躍。