特厚表土層巖移沉降規(guī)律研究及應用

[摘 要]1301工作面是彭莊煤礦的首采工作面，為摸清本礦的采空區(qū)對上覆巖層及表土層的運動范圍、規(guī)律和相應的運動參數(shù)，全面掌握首采面采空區(qū)對地面的影響，通過對觀測，最終確定地下開采引起的地表移動變形靜態(tài)盆地的巖移參數(shù)。該參數(shù)為全礦各采區(qū)留設保護煤柱、回采巷道設計及優(yōu)化提供了技術數(shù)據(jù)，并為巨野煤田周邊新建礦井提供有參考價值的技術參數(shù)。

[關鍵詞]特厚表土層；巖移規(guī)律參數(shù)；研究與應用

中圖分類號：TF046.6 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）14-0293-02

一、概況

彭莊煤礦開采深為-450m至-1200m標高，設計生產(chǎn)能力為90萬噸/年，是菏澤地區(qū)第一對投產(chǎn)的煤礦，表土層厚度平均為450m。本井田地層區(qū)劃屬華北地層區(qū)魯西地層分區(qū)濟寧地層小區(qū)，發(fā)育的地層有太古界泰山巖群、震旦系土門組、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系蒙陰組、第三系、第四系。本井田含煤地層為下二迭統(tǒng)山西組和上石炭統(tǒng)太原組，平均地層總厚229.68m。共含煤24層，其中山西組3層；太原組21層。平均總厚8.02m，含煤系數(shù)3%，可采煤層有3下、6、16上、17煤層，平均總厚5.48m，占煤層總厚的68%，可采煤層中又以3下煤層最重要，平均總厚2.22m，占可采煤層總厚的49%，是本井田首采及主采煤層。首采工作面1301面于2006年9月開始回采，2007年8月結束。

二、觀測站布設

地表移動觀測站設立于彭莊煤礦1301工作面的正上方。測區(qū)內(nèi)地表基本平坦，地面標高在41m左右。工作面寬150m，長1350m，平均埋深為450m，本觀測站共設置了93個工作測點，6個控制點。此次地表移動觀測，共進行了17次水準測量，3次全面觀測。

三、觀測數(shù)據(jù)整理計算

觀測站各觀測點間的移動變形計算主要包括：各測點的下沉和水平移動，相鄰兩測點間的傾斜和水平變形，相鄰兩線段的曲率變形，觀測點的下沉速度等。測點某時刻的下沉，由該時刻觀測到的測點高程與采前首次觀測的測點高程之差計算得；測點某時刻的水平移動，由該時刻觀測到的測點坐標與采前首次觀測到的測點坐標變化經(jīng)矢量分解后獲得；相鄰兩測點間的傾斜和水平變形，分別由該相鄰兩測點的下沉之差和水平移動之差與該兩測點間的水平距離之比獲得，在計算兩測點間的水平變形時，要考慮到測點的水平移動方向問題；相鄰兩線段的曲率變形，由該相鄰兩線段的傾斜之差與兩線段的平均水平距離之比獲得；測點的下沉速度，由測點前、后兩次觀測的間隔天數(shù)之比計算。

地表移動和變形的主要計算參數(shù)是根據(jù)最后依次全面觀測結果計算的各測點移動變形值，以概率積分預計方法和求參程序為基礎，引入位移反分析理論，結合曲線擬合的方法，利用專門的計算機程序來求取。

四、地表移動觀測資料整理分析結果

根據(jù)計算，可分析研究1301工作面開采后在地表產(chǎn)生的移動盆地的范圍、形狀、大小以及各種角值參數(shù)；地表移動盆地某斷面上的移動和變形分布及其特征，移動和變形最大值的位置；工作面推進過程中移動和變形的發(fā)展過程及其相應的主要參數(shù)；地表移動過程中，地表移動速度的變化以及與工作面的相應關系；地表移動各個階段的持續(xù)時間以及地表移動持續(xù)的總時間；工作面開始回采到地表開始下沉的時間等。

4.1地表移動盆地概況

隨著工作面的繼續(xù)回采，地表下沉量逐漸增大，形成下沉盆地。觀測到的地表最大下沉值609mm。綜觀整個沉降過程，未有突變現(xiàn)象，地表未產(chǎn)生塌陷坑，也未觀測到裂縫。整個下沉盆地形似鍋形。

4.2地表移動變形角值參數(shù)

依據(jù)地表下沉盆地邊界點的下沉為10mm的標準，確定的該工作面地質采礦技術條件下的邊界角為59°40′。

依據(jù)一般磚石結構建筑物的臨界變形值的標準，確定的該工作面地質采礦技術條件下的移動角為62°59′。

將開采引起的地表移動變形觀測結果作為已知條件，利用針對我國礦區(qū)普遍采用且效果較好的巖層與地表移動變形預計方法—概率積分法為計算模型所編制的計算機程序，通過對實測資料的曲線擬合，求取得到，適用于該地質采礦技術條件下充分采動時的概率積分法計算參數(shù)為：下沉系數(shù)q=0.95；水平移動系數(shù)b=0.25；主要影響正切值tgβ=1.6；應注意q=0.95是充分采動條件下的下沉系數(shù)，當工作面為非充分采動時，應按D3/2r計算k系數(shù)，然后計算該工作面條件下的下沉系數(shù)。

同時求得，該地質采礦技術條件下充分采動時的走向邊界角為54°43′，傾向上山邊界角為57°16′，傾向下山邊界角為55°57′。走向移動角為59°53′，傾向上山移動角為62°07′，傾向下山移動角為61°06′。

為檢驗計算參數(shù)的正確性，利用上述參數(shù)，通過調(diào)整開采范圍，進行的地表移動變形計算，均與其相應的計算結果相吻合，曲線擬合精度高。說明求得的計算參數(shù)符合實際。

4.3移動和變形的動態(tài)參數(shù)

通過觀測啟動距為70m，啟動距與采深比表示為0.12H。計算得到，1301工作面開采后的最大超前影響距離為290m，是平均采深的0.5倍，超前影響角為63°26′左右。計算得到最大下沉速度滯后角為78°11′。

4.4地表移動速度的變化以及與工作面的相應關系

單層開采時，在整個地表移動過程中，地表任一點的下沉速度是有規(guī)律地變化的，開始時很慢，逐漸增大，達到最大值，然后逐漸變小，直至最后移動停止。在一般情況下，點的下沉速度的變化在時間上和空間上是連續(xù)的、漸變的。

根據(jù)計算，H19點具有最大下沉速度，故選取地表H19號測點作為研究對象，根據(jù)各次觀測得到的該測點的下沉值，可計算得到該測點在不同時期受1301工作面開采影響的下沉速度，并由此繪得的地表點下沉速度曲線、下沉曲線及其與地下回采工作面之間的關系（圖4），以反映地表點的移動動態(tài)變化規(guī)律。有圖中可看出，當工作面接近測點下方時，測點的下沉速度開始增大。當工作面越過測點115m時，點的下沉速度達到最大，隨后逐漸減小。

五、研究結論

⑴獲得了地下開采引起的地表移動變形靜態(tài)盆地的巖移參數(shù)，適用于該地質采礦技術條件下充分采動時的概率積分法計算參數(shù)為：下沉系數(shù)q=0.95；水平移動系數(shù)b=0.25；主要影響正切值tgβ=1.6；該地質采礦技術條件下充分采動時的走向邊界角為54°43′，傾向上山邊界角為57°16′，傾向下山邊界角為55°57′。走向移動角為59°53′，傾向上山移動角為62°07′，傾向下山移動角為61°06′。

⑵通過對開采引起的地表移動變形觀測數(shù)據(jù)的分析與處理，獲得了開采過程中的動態(tài)巖移參數(shù)。具體為：啟動距以距離與采深比表示為0.12H。，最大超前影響距離是平均采深的0.5倍，超前影響角為63°26′，回采工作面引起的地表測點的最大下沉速度為11mm/d，最大下沉速度滯后距為115m，約為平均開采深度的0.19倍，最大下沉速度滯后角為78°11′。

⑶1301工作面開采影響，地表移動變形歷時16個月，未有突變現(xiàn)象，地表未產(chǎn)生塌陷坑，也未觀測到裂縫，整個下沉盆地像鍋形。

參考文獻

[1] 王進，許娟.土體參數(shù)對地表沉降影響的數(shù)值模擬分析【J】.蘇州科技學院學報，2012年6月.

作者簡介

王中山（1978—），男，山東鄆城人，碩士學位畢業(yè)，工程師，現(xiàn)任山東能源臨礦集團菏澤煤電公司彭莊煤礦掘進一區(qū)區(qū)長。