淺埋煤層開采地表沉陷規(guī)律分析

李 洋

（山東省煤田地質(zhì)局第一勘探隊，山東 滕州 277500）

1 工程概況

依據(jù)東部及中部地區(qū)淺埋中厚煤層地表沉陷規(guī)律，對西部地區(qū)煤層開采引起地表沉陷指導(dǎo)性不強[1-3]。同時隨著東部及中部地區(qū)煤炭資源逐漸枯竭，西部地區(qū)日益成為我國煤炭的主采區(qū)。因此，分析西部地區(qū)礦井煤層開采引起地表沉陷規(guī)律，對指導(dǎo)礦井后續(xù)開采具有顯著現(xiàn)實意義。

隆德礦可采煤層有2-2、5 煤層，現(xiàn)階段主采2-2#煤，厚度4.01～6.79 m，埋藏深度135～205 m，上覆基巖層厚度73.5～178.6 m，平均113.5 m，松散層厚度5.3～55.7 m，平均38.8 m。礦井采煤方法采用綜合機械化采煤工藝。文中采用現(xiàn)場實測法對地表沉陷進行監(jiān)測，從而掌握礦井煤層開采時引起地表變形規(guī)律及特點。

2 測點布置及數(shù)據(jù)觀測

201 工作面為2 采區(qū)2-2 煤層首采工作面，采面東北側(cè)為采區(qū)集中軌道、運輸巷，其余均為實體煤。采面設(shè)計走向長度3500 m，斜長300 m，煤層底板標高+995～ +1021 m，對應(yīng)地表標高+1205～+1250 m。煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，傾角2°，煤厚4.1 m。

針對201 工作面開采條件，在采面切眼位置沿走向、傾向分別布置一條測線。走向觀測線A 長度共計690 m，58 個測點，控制點（KA1～KA3）、工作點（A01～A55）數(shù)分別為3 個、55 個，測點間距均為10 m；傾向觀測線B 長度共計1010 m，78個測點，控制點（KB1～KB6）、工作點（B01～B72）數(shù)分別為6 個、72 個。具體測線布置如圖1。

測點采用全站儀進行水平觀測，水準儀進行高程觀測，其中測線A、B 分別進行6 次水平、13 次高程觀測。

圖1 地面測線布置示意圖

3 地表測點觀測數(shù)據(jù)及變形規(guī)律分析

3.1 巖移參數(shù)

（1）測點垂向及水平位移

由觀測結(jié)果得知，在走向觀測線A 上發(fā)現(xiàn)A40號測點的垂向下沉量為2098 mm，位移最大；水平位移最大的為A26 測點，位移量為745 mm。具體走向觀測線A 上各測點下沉量監(jiān)測結(jié)果如圖2。傾向觀測線B 上發(fā)現(xiàn)B35 測點垂向位移最大，下沉量為2040 mm；B40 測點水平位移最大，位移量為618 mm。

圖2 走向觀測線A 上各測點下沉量監(jiān)測結(jié)果

（2）地表下沉持續(xù)時間及速度

監(jiān)測發(fā)現(xiàn)在走向觀測線A 上A40 號測點下沉速度最快，可達166.45 mm/d（滯后采面約130 m 位置）。通過插值法計算測點下沉速度，具體移動初始期、活躍期以及衰退期持續(xù)時間分別為2 d、31 d以及63 d。

在傾向觀測線B 上B35 點下沉速度最快，可達145.8 mm/d，發(fā)生在采面推進該測點115 m 位置。通過插值法分析計算，推測出該測點活躍期以及衰退期時間分別為35 d 以及64 d，未監(jiān)測到有移動初始期。

（3）下沉移動距及超前影響角

在第三次高程觀測時發(fā)現(xiàn)走向觀測線A 上的A20 測點下沉值最大，下沉值達到15.6 mm。采用插值法計算確定地表下沉量值約為10 mm 時回采工作推進距離約為48.6 m，因此確定采面超前采動距為48.6 m，此時采面采深（H）按照229 m 計算，得到超前采動距約為0.21H。

2018 年9 月5 日采面回采推進約190 m，此時采面采空區(qū)覆巖充分垮落、下沉，在采面對應(yīng)地表前方約88 m 位置的A48 測點下沉量值為10 mm，因此認為采面超前影響距離為88 mm。此時采面采深為229 m，根據(jù)勾股定量計算得到超前影響角為68.8°

（4）綜合邊界角及移動角

煤炭回采后會引起地表沉陷，并以10 mm/m 速度為地表沉陷邊界。根據(jù)地表變形監(jiān)測結(jié)果，得到走向方向上綜合邊界角為58.5°，回風順槽、運輸順槽綜合邊界角分別為55.2°、56.7°。

根據(jù)移動角定義，分別按照水平變形值、傾斜變形值以及曲率變形值對綜合移動角進行求解，具體求得走向綜合移動角為81.5°，傾向方向回風順槽、運輸順槽側(cè)綜合移動角分別為81.2°、83.7°。

3.2 地表移動參數(shù)擬合分析

根據(jù)采面地表布置的走向、傾向測線實測結(jié)果，以及下沉值、水平值擬合曲線，采用概率積分法對地表移動參數(shù)進行擬合，具體結(jié)果見表1。

表1 地表移動參數(shù)擬合結(jié)果

從表1 得出，201 工作面回采后拐點移動距以及主要影響角正切值較大，分析主要是201 采面為2 采區(qū)首采工作面，采面開采后在切眼以及兩側(cè)回采巷位置頂板未能充分垮落引起。

4 地表變形規(guī)律分析

礦井開采的2-2 煤層埋深較淺，基巖厚度較大，基采比約為27.7，煤層開采后相對于東部及中部礦井地表變形有其獨特規(guī)律[4-7]：

（1）在采面地表邊界及開采前方有拉伸裂縫，但是裂縫寬度多在7 cm 以內(nèi)，且局部發(fā)育未橫穿整個采面，分析主要是由于2-2 煤層上覆有較厚的基巖，煤層開采后地表整體處于彎曲下沉帶，從而導(dǎo)致地表裂縫與井下裂縫局部貫通。

（2）地表裂縫與采面切眼平行發(fā)育，裂縫角較大。隨著采面回采推進，采空區(qū)對應(yīng)地表覆巖在拉伸應(yīng)力作用下產(chǎn)生的拉伸裂縫變化是一動態(tài)過程。在采面開采影響下，在超前采面約48.6 m 范圍內(nèi)產(chǎn)生有拉應(yīng)力，當應(yīng)力值超過松軟層極限抗拉強度時，即會使得松散層出現(xiàn)破壞從而使得地表出現(xiàn)裂縫。采面推進后地表對應(yīng)巖層處于拉伸變形階段，從而導(dǎo)致裂縫寬度逐漸增加；當采面回采推進過該裂縫位置后，裂縫圍巖受力由拉伸轉(zhuǎn)為壓縮，從而使得裂縫逐漸閉合。

5 結(jié) 語

根據(jù)礦井2 采區(qū)首采工作面工程地質(zhì)條件以及采面開采情況，在采面對應(yīng)地表建立傾向、走向測站，對2-2 煤層開采后引起的地表變形情況進行實測，從而具體得到淺埋煤層開采地表巖移參數(shù)。

（1）具體確定巖移參數(shù)為：綜合邊界角δ0=58.5°、β0=55.2°、γ0=°56.7°；綜合移動角δ=81.5°、β=81.2°、γ=83.7°，走向、傾向方向綜合邊界角、綜合移動角較為接近的主要原因是2-2煤層為近水平煤層，傾角較小。

（2）采用概率積分法確定的下沉系數(shù)η=0.6、tanβ=2.0、b=0.43、S=50、θ=0.5，計算結(jié)果與模擬結(jié)果接近，表明該礦2-2 煤層賦存條件滿足概率積分法應(yīng)用要求。

（3）2-2 煤采后地表變形劇烈，移動周期短；地表產(chǎn)生的裂縫多與采面切眼方向平行且位于采面中部位置，裂縫角較大。研究成果可在一定程度上指導(dǎo)礦井護巷煤柱留設(shè)以及開展地表構(gòu)筑物保護工作。