厚煤層大采高開(kāi)采地表下沉觀(guān)測(cè)與結(jié)果分析

李建力，黃乃寶

（1.山西晉煤太鋼能源有限公司，山西 晉城 048006；2.晉城澤祥勘探測(cè)繪有限公司，山西 晉城 048006）

煤炭資源從地下采出后，周?chē)鷰r體的原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)會(huì)遭到破壞，從而誘發(fā)地表沉陷，并可能導(dǎo)致出現(xiàn)一系列的環(huán)境災(zāi)害問(wèn)題。因此，開(kāi)采后地表沉陷損害治理與地表環(huán)境保護(hù)問(wèn)題一直是世界范圍內(nèi)亟待解決的問(wèn)題[1]。目前，關(guān)于開(kāi)采引起的覆巖與地表移動(dòng)規(guī)律等方面已有大量的研究成果[2]，但是大采高淺埋煤層開(kāi)采引起的覆巖與地表移動(dòng)規(guī)律具有自身的特點(diǎn)，需要進(jìn)一步系統(tǒng)研究。本文以寺河煤礦5304 大采高工作面為例，建立地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站，對(duì)地表移動(dòng)變形規(guī)律及巖層角值參數(shù)進(jìn)行研究分析。研究成果對(duì)寺河礦區(qū)的保護(hù)煤柱設(shè)計(jì)以及“三下”開(kāi)采具有一定的指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)采礦條件

山西晉城寺河礦是國(guó)家“九五”期間重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，年生產(chǎn)能力為10.80 Mt。礦井位于沁水煤田東南邊緣，工業(yè)場(chǎng)地位于沁水縣嘉峰鎮(zhèn)殷莊村。全井田可采煤層由二疊系至石炭系分為3#、9#、15#共3 層，總厚度10.32 m。其中，主采3#煤層厚度5.0～7.22 m，平均厚度6.21 m。

1.1 工作面位置

寺河礦5304 工作面位于東五盤(pán)區(qū)，工作面走向?yàn)? 050 m，傾向長(zhǎng)300 m。始采時(shí)間2017年2月、結(jié)束回采時(shí)間2017年6月。底板標(biāo)高為+294～+348 m，地面標(biāo)高為+570～+660 m。工作面平均采厚為5.82 m，平均采深為288 m。煤層走向270°，傾角為0°～10°，為近水平煤層。工作面采用綜合機(jī)械化采煤方法開(kāi)采，全部垮落法管理頂板，工作面位置見(jiàn)圖1。

圖1 寺河礦5304 工作面位置

1.2 煤層頂、底板情況

3#煤層，煤質(zhì)堅(jiān)硬，為穩(wěn)定煤層，f=1～2。煤層頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

2 巖層移動(dòng)觀(guān)測(cè)站設(shè)計(jì)

為對(duì)地表移動(dòng)變形的情況進(jìn)行全過(guò)程的監(jiān)測(cè)，結(jié)合工作面地質(zhì)采礦條件和地表上方的地形地貌特點(diǎn)，根據(jù)文獻(xiàn)[3]在5304 工作面地表上方建立剖面線(xiàn)狀地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站。觀(guān)測(cè)站共布置三條測(cè)線(xiàn)，其中沿工作面推進(jìn)方向上布置一條A線(xiàn)，長(zhǎng)為775 m，測(cè)點(diǎn)間距為25 m，共32 個(gè)測(cè)點(diǎn)；在垂直于工作面推進(jìn)方向上一條B線(xiàn)，長(zhǎng)為775 m，測(cè)點(diǎn)間距25 m，共32 個(gè)測(cè)點(diǎn)（含AB交點(diǎn)）；在靠近停采線(xiàn)位置布置一條X線(xiàn)，長(zhǎng)為457 m，間距65 m，共8 個(gè)測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖2。

圖2 寺河礦5304 工作面地表巖移觀(guān)測(cè)站布置

3 地表移動(dòng)變形規(guī)律及角值參數(shù)分析

3.1 地表觀(guān)測(cè)站觀(guān)測(cè)成果分析

從2017年1月21日開(kāi)始對(duì)寺河礦5304 工作面對(duì)應(yīng)的地面測(cè)點(diǎn)進(jìn)行第一次全面觀(guān)測(cè)，獲取了觀(guān)測(cè)點(diǎn)的初始平面坐標(biāo)和高程坐標(biāo)。截止到2017年9月26日，工作面回采結(jié)束3 個(gè)月后，三條測(cè)線(xiàn)A線(xiàn)、B線(xiàn)分別測(cè)量了12 次，X線(xiàn)測(cè)量了8 次。根據(jù)各測(cè)點(diǎn)下沉值繪制成下沉曲線(xiàn)，見(jiàn)圖3。

圖3 觀(guān)測(cè)線(xiàn)下沉曲線(xiàn)

從圖3可以看出，隨著工作面的開(kāi)采，下沉值會(huì)越來(lái)越大，最大下沉點(diǎn)也會(huì)隨之前移。在最后一次觀(guān)測(cè)時(shí)，5304 工作面已達(dá)到充分采動(dòng)，最大下沉點(diǎn)為A19 測(cè)點(diǎn)，最大值為4 365.6 mm。此時(shí)該工作面已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

從圖3（a）看出，在停采線(xiàn)位置附近，地表下沉較小，靠近工作面，下沉曲線(xiàn)急劇變陡。這是由于大采高開(kāi)采造成大開(kāi)采空間，上覆巖層隨著工作面推進(jìn)位置“隨采隨垮”，繼而影響到地表。

在圖3（b）垂直于工作面推進(jìn)方向B線(xiàn)下沉曲線(xiàn)上明顯看出，下沉盆地呈陡峭盆地型，最大下沉值并沒(méi)有在工作面中心，而是向下順槽偏移。

3.2 角值參數(shù)分析

（1）移動(dòng)角

根據(jù)移動(dòng)角的定義，從曲率、傾斜和水平變形的數(shù)值上，求取傾斜3 mm/m、曲率0.2 mm/m2、水平變形2 mm/m 的最外點(diǎn)。

在工作面推進(jìn)方向上（走向方向），經(jīng)過(guò)計(jì)算水平變形量為2 mm/m 的位置約在距停采線(xiàn)80 m處，由于停采線(xiàn)附近采深約253 m，所以計(jì)算出走向綜合移動(dòng)角約為72.5°；考慮松散層移動(dòng)角，一般取為45°，松散層的厚度約為5.2 m，因此根據(jù)求取移動(dòng)角的定義，計(jì)算得走向移動(dòng)角約為73.2°。

同理，在垂直于工作面推進(jìn)方向上（傾向方向），計(jì)算出傾向綜合移動(dòng)角為73.6°，傾向移動(dòng)角為73.8°。

（2）邊界角

根據(jù)邊界角的定義，可從實(shí)測(cè)的下沉數(shù)據(jù)中尋求下沉量為10 mm 點(diǎn)的位置。

在工作面推進(jìn)方向上（走向方向），分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，下沉量為10 mm 的位置約在圖2、圖3上應(yīng)標(biāo)出A6 附近，此點(diǎn)距離工作面停采線(xiàn)的距離約為106 m，工作面停采線(xiàn)附近采深約為253 m，計(jì)算出走向綜合邊界角約為67.3°，走向邊界角約為67.8°。

同理，在垂直于工作面推進(jìn)方向上（傾向方向），計(jì)算出傾向綜合邊界角為69.9°，傾向移動(dòng)角為70.2°。

（3）充分采動(dòng)角

由實(shí)測(cè)下沉數(shù)據(jù)可知，最大下沉點(diǎn)為A19 號(hào)測(cè)點(diǎn)，該點(diǎn)到停采線(xiàn)的距離約為218.5 m，平均采深約為288 m。根據(jù)充分采動(dòng)角的定義，充分采動(dòng)角約為52.8°。

4 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)結(jié)果及分析

為了分析地下開(kāi)采引起的地表移動(dòng)、變形值和影響范圍，以及對(duì)地表建筑物的影響程度，必須進(jìn)行地表移動(dòng)和變形計(jì)算。本文采用概率積分法對(duì)5304 工作面開(kāi)采區(qū)域進(jìn)行地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)。

4.1 預(yù)計(jì)參數(shù)的選取

預(yù)計(jì)所需參數(shù)為：下沉系數(shù)q、水平移動(dòng)系數(shù)b、主要影響角正切tanβ、拐點(diǎn)偏移距s等。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際資料以及經(jīng)驗(yàn)取值，預(yù)計(jì)參數(shù)選取見(jiàn)表2。

表2 5304 工作面地表移動(dòng)預(yù)計(jì)參數(shù)

4.2 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)結(jié)果

根據(jù)以上所確定的預(yù)計(jì)參數(shù)，對(duì)5304 工作面回采穩(wěn)定后引起的地表沉陷進(jìn)行預(yù)計(jì)，其中下沉等值線(xiàn)見(jiàn)圖4，工作面開(kāi)采后引起地表移動(dòng)、變形值預(yù)計(jì)和實(shí)測(cè)最大值見(jiàn)表3。

表3 5304 工作面開(kāi)采后地表移動(dòng)、變形值

圖4 5304 工作面開(kāi)采后地表下沉等值線(xiàn)

4.3 地表移動(dòng)變形最大值

根據(jù)表3可知，當(dāng)工作面開(kāi)采后，預(yù)計(jì)和實(shí)測(cè)之間的最大下沉值誤差只有15 mm 左右，其余相對(duì)誤差很小，證明了概率積分法的可行性。

5 結(jié)語(yǔ)

基于地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站實(shí)測(cè)資料，對(duì)寺河礦厚煤層大采高5304 工作面開(kāi)采后引起的地表移動(dòng)變形規(guī)律及巖層角值參數(shù)進(jìn)行了研究分析，研究結(jié)果表明：

由于大采高開(kāi)采造成大開(kāi)采空間，引起地表下沉盆地比較陡峭，地表傾斜值較大；根據(jù)觀(guān)測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，得到該礦工作面開(kāi)采后引起的地表最大下沉值為4 365.6 mm，最大傾斜值為37.2 mm。礦區(qū)傾向移動(dòng)角為73.8°，邊界角為70.2°，走向移動(dòng)角為73.2°，邊界角為67.8°，充分采動(dòng)角為52.8°，最大下沉角為86.6°；通過(guò)實(shí)測(cè)資料分析，得到了該礦的概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)：下沉系數(shù)為0.83、水平移動(dòng)系數(shù)為0.21、主要影響角正切為2.4 等。預(yù)計(jì)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差全在10%以?xún)?nèi)，誤差很小，證明了概率積分法的可行性。