煤礦開采覆巖與地表地質(zhì)變化分析

曹桂芳

（大同煤礦集團(tuán)有限公司煤峪口礦地測(cè)科，山西 大同 037041）

煤礦開采對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響一直以來都是備注關(guān)注的問題。由于煤礦開采導(dǎo)致地下覆巖發(fā)生變化，跟隨著地表的地質(zhì)也發(fā)生變化，主要變現(xiàn)為地面植被覆蓋率低、出現(xiàn)塌陷、滑坡等自然災(zāi)害。為避免煤礦開采所導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境被破壞以及影響煤礦可持續(xù)開采的問題，需對(duì)開采過程中的覆巖和地表地質(zhì)變化進(jìn)行詳細(xì)分析，并針對(duì)性的提出合理的調(diào)控技術(shù)和建議[1]。

1 工程概況

本文以同煤某礦工作面為例對(duì)其覆巖及地表地質(zhì)變化進(jìn)行分析，該工作面的走向長(zhǎng)度為3224 m，其中傾斜工作面的總長(zhǎng)度為284.3 m。經(jīng)探測(cè)，工作面的煤層結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，屬于穩(wěn)定性煤層，該工作面的頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 同煤某礦工作面頂?shù)装迩闆r

經(jīng)探測(cè)，該工作面上方覆巖的厚度范圍為35 m至98.5 m，覆巖的平均厚度為42 m。該工作面的平均涌水量為75 m3/h；相對(duì)瓦斯涌出量為0.08 m3/t。目前，在實(shí)際開采中工作面采用錨桿+錨索與金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)。經(jīng)對(duì)對(duì)該工作面礦壓觀測(cè)可知，其最大來壓強(qiáng)度為48.7 MPa，周期來壓的最大強(qiáng)度值為49.5 MPa。而且，在工作面存在風(fēng)沙滲透的情況，說明地表可能存在裂隙[2]。因此，急需對(duì)該工作面開采的覆巖和地表地質(zhì)變化進(jìn)行分析。

2 工作面覆巖變化分析

本文采用模擬實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)覆巖的變化情況進(jìn)行分析。結(jié)合同煤某礦工作面的地質(zhì)、煤層等條件建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ停鶕?jù)實(shí)際情況所設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸r層數(shù)量總計(jì)為20層。為了保證基于試驗(yàn)所獲取結(jié)果的準(zhǔn)確性，要求所搭建的試驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂凶銐虻膭偠?，即保證整個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆€(wěn)定性。為此，建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母叨葹? m，寬度為0.3 m，高度為2.2 m。為了保證所監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的全面性，在所建立表面設(shè)置7條觀測(cè)線，且每條觀測(cè)線上分布有26個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。

本次試驗(yàn)采用電子全站儀對(duì)各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)隨著煤層開采時(shí)的位移變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)該工作面的推進(jìn)速度為15 m/d，換算所得試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拈_采速度為15 cm/2.4 h；對(duì)于240 m工作面開采所需時(shí)間為16 d，換算所得試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_采完成所需時(shí)間為1.6 d。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，對(duì)于所建立的模型每天開挖四次，共需開挖4 d后完成，對(duì)應(yīng)每天開挖時(shí)間分別為8點(diǎn)整、10點(diǎn)30分、15點(diǎn)整以及17點(diǎn)30分[3]。每次開挖后均需仔細(xì)記錄工作面頂板的破壞記錄，并詳細(xì)記錄地表裂隙出現(xiàn)的時(shí)間和頂板下沉量，每次開挖后的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

如下頁(yè)圖1所示，本次模擬試驗(yàn)中覆巖下沉量最大值為3500 mm；工作面不同頂板的破斷距離和最大控頂距離如下頁(yè)表2所示。

表2 頂板破斷距離及最大控頂距離 m

結(jié)合圖1的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)應(yīng)到實(shí)際工作面覆巖的變形可總結(jié)：在工作面煤層頂板上方84 m位置的覆巖出現(xiàn)嚴(yán)重跨落和離層的現(xiàn)象，且對(duì)應(yīng)地表出現(xiàn)縫隙的發(fā)育平均角度為53°。

圖1 覆巖下沉曲線

3 工作面地表變形分析

為獲取工作面地表變形的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，在工作面停采附近的位置設(shè)立地表移動(dòng)觀測(cè)站對(duì)地表變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。結(jié)合“2”中所得覆巖變形結(jié)果，在停采線附近總共布置23個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，且每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)之間的間距為15 m[4]。整個(gè)觀測(cè)從2019年11月至2020年9月結(jié)束，期間共完成水準(zhǔn)測(cè)量十一次，平面測(cè)量十次，主要對(duì)地表變化的穩(wěn)態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.1 穩(wěn)態(tài)參數(shù)的分析

監(jiān)測(cè)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)包括有邊界角、移動(dòng)角、裂縫角以及充分采動(dòng)角等。各個(gè)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的檢測(cè)結(jié)果及分析闡述如下：

1）對(duì)于邊界角而言，包括有上山綜合邊界角和下山綜合邊界角。其中，在不考慮煤層傾角的情況下綜合邊界角為60.02°；綜合考慮煤層傾角的關(guān)系，得出上山和下山綜合邊界角為43.92°。

2）對(duì)于移動(dòng)角，著重對(duì)主斷面和傾向斷面的移動(dòng)角進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其中，主斷面綜合移動(dòng)角為67.07°，傾向主斷面移動(dòng)角為58.39°。

3）地表綜合走向裂縫角為67.07°，而且上山裂縫角和下山裂縫角均為63.08°。

4）地表綜合充分采動(dòng)角為51.07°，上山和下山的充分采動(dòng)角均為43.92°。

3.2 動(dòng)態(tài)參數(shù)的分析

動(dòng)態(tài)參數(shù)表征的是隨著開采的進(jìn)行地表在活躍其的參數(shù)變化，包括有超前影響距、超前影響角和最大下沉速度[5]。在將近一年的測(cè)量中，得出如表3所示的結(jié)果。

表3 動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量

4 結(jié)論

煤礦實(shí)際開采過程中會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成影響，在影響當(dāng)?shù)鼐用袢粘ＵＩ畹耐瑫r(shí)還極大制約了煤礦的可持續(xù)發(fā)展。本文對(duì)同煤某礦工作面的覆巖及地表地質(zhì)變化情況進(jìn)行分析得出如下結(jié)論：

1）在工作面煤層上方84 m的位置會(huì)出現(xiàn)覆巖垮落以及離層等現(xiàn)象，且明確了該工作面的直接頂和老頂?shù)淖畲罂仨斁嚯x和破斷距離。

2）得出工作面穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)的變化情況，為后續(xù)煤礦開采地表及覆巖變化提供依據(jù)。