近水平煤層開采地表巖移特征分析

耿春喜

(山西潞安集團 左權阜生煤業(yè)有限公司，山西 晉中 032600)

煤炭資源一直是我國能源結構中的主要組成部分，為經(jīng)濟發(fā)展起到了重要的帶動作用[1]。然而隨著礦井開采的范圍擴大，采動巖移問題日益突出[2-4]。因此，對于巖層與地表移動特征的研究是安全開采和預留合理保護煤柱的必要保證[5-6]。

在這方面的研究中，楊樹才[7]采用現(xiàn)場實測、理論分析方法對厚煤層開采引起的地表移動情況進行分析，指出在采面回采過程中地表移動變形呈現(xiàn)漸變趨勢；李保學[8]采用快速靜態(tài)法提高RTK測量精度,解決了復雜區(qū)域煤礦開采工作面地表巖移觀測的技術難題；相濤等[9]通過在地表布設巖移監(jiān)測站，計算出了地表移動參數(shù)，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制的下沉曲線得到開采工作面的地表移動角值；張德民等[10]通過觀測與研究，揭示了在煤層埋藏淺、開采厚度大、推進速度快的開采條件下的地表下沉盆地的分布形態(tài)，為合理留設煤柱及指導地表搬遷提供了可靠依據(jù)。

為此，本文在上述研究成果的基礎上，以某礦近水平煤層開采為工程背景，采用現(xiàn)場監(jiān)測方法對開采過程中地表巖移特征進行了分析，為礦山安全高效開采提供借鑒與指導。

1 工程地質(zhì)概況

某煤礦為典型的黃土高原地貌，主采5號煤層85201工作面，煤層傾角0.1～0.7°，呈階梯狀發(fā)展，平均厚度達6.65 m，在煤層中,下側(cè)含有厚度約為0.15 m的夾矸。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

礦山采用平硐+斜井聯(lián)合開拓方式，綜采長壁式采煤工藝。膠運巷、輔運巷和回風巷采取集中布置方式。煤層上覆基巖厚度一般在80～180 m，黃土層厚度在30～100 m范圍，由于地表濕陷性黃土層的厚度大、垂直裂縫發(fā)育，地表沉陷范圍不斷加大。

2 地表巖移監(jiān)測方法

針對該礦地表巖移監(jiān)測需要，研究采用剖面線觀測站布置方式，在主斷面上(傾斜與走向)方向上布點成直線豎直交錯。

走向監(jiān)測線(B線)布置長度由公式(1)確定：

L≥2(H0-h)·cot(δ-Δδ)+2hcotφ

(1)

式中：H0為工作面平均開采深度，取250 m；h為松散層厚度，取50 m；δ為走向移動角，取 62°；Δδ為走向移動角的修正值，取20°；φ為松散層移動角，取45°。

將相關參數(shù)帶入公式(1)，計算得到走向監(jiān)測線長度為236.1 m，根據(jù)現(xiàn)場地表地形條件，最終確定走向監(jiān)測線長度為240 m。傾向監(jiān)測線(A線)與走向監(jiān)測線垂直相交，監(jiān)測范圍應覆蓋到整個地表巖移帶，通過計算確定為308.7 m，最終確定傾向監(jiān)測線長度為310 m。

假定傾向監(jiān)測線距離工作面切眼的距離為D，應滿足以下關系：

D≥2(H0-h)·cot(δ-Δδ)+hcotφ

(2)

將相關參數(shù)帶入公式(2)，計算得到D≥148.9 m，由于地形影響，D=150 m。通過計算分析，沿走向共布置25個監(jiān)測點，編號B1～B25。沿傾向共布置32個監(jiān)測點，編號A1～A32，測點監(jiān)測點平均間距10 m，監(jiān)測點布置情況見圖1。

3 地表巖移特征分析

3.1 地表沉降特征

對于傾向地表沉降，主要表現(xiàn)為單沉降中心發(fā)展特征，位于采空區(qū)正上方，采空區(qū)邊緣位置總體沉降值較小。當工作面回采60～90 m時，產(chǎn)生單次最大沉降值，約為0.75 m；隨著回采的進行，位于采空區(qū)上部測點A12位置發(fā)生了沉降反彈現(xiàn)象，表明傾向地表沉降具有突變特性。當工作面回采超過180 m時，地表沉降逐漸趨于穩(wěn)定，最大沉降值發(fā)生在測點A16位置，約為3.52 m，表明此時頂板已充分垮落，不會發(fā)生大的沉降風險，總體顯著沉降范圍約為180 m。

對于走向地表沉降，隨回采工作面推進，地表沉降表現(xiàn)為緩慢—快速—緩慢增長趨勢，并且增長趨勢后期逐漸放緩。工作面回采至90 m時，表現(xiàn)為單沉降中心發(fā)展，此時最大沉降值發(fā)生在測點B14位置，約為2.72 m；隨著回采的進行，在測點B15位置出現(xiàn)了反彈現(xiàn)象，當工作面回采150 m時，位移第一個沉降中心前方約60 m位置再次出現(xiàn)顯著的沉降發(fā)展；當工作面回采210 m時，產(chǎn)生次級沉降中心，此時最大沉降值約為3.76 m，隨著后續(xù)回采的進行沉降發(fā)展趨于穩(wěn)定，兩個沉降中心的最大沉降值分別為4.87 m與3.96 m，總體顯著沉降范圍超過了180 m。

綜合分析，地表沉降發(fā)展主要表現(xiàn)為緩慢—快速—緩慢增長趨勢，在開采中心區(qū)域地表沉降最大，走向最大沉降值明顯高于傾向方向，沉降具有突變性；在走向上會出現(xiàn)次級沉降中心，變現(xiàn)為雙沉降中心發(fā)展特征，隨著后續(xù)采礦的進行，需重視走向方向地表沉降對地表設施的影響，預防再次產(chǎn)生新的沉降中心。

3.2 地表水平位移特征

對于傾向地表水平位移，主要呈現(xiàn)正弦變化特征，采空區(qū)中心區(qū)域附近水平位移最小，位移零點位于測點A17～A18之間，即這個位置主要為豎直沉降，位移最大值出現(xiàn)在兩側(cè)巷道附近，兩巷道附近的水平位移均朝向采空區(qū)中心位置發(fā)展是位移呈現(xiàn)正負值變化的主要原因。隨著回采的進行，水平位移由快速增加至趨于穩(wěn)定，水平位移最大值出現(xiàn)在測點A12與測點A21位置，分別為-2.15 m與1.26 m，前者約為后者的1.7倍，隨著井下回采工作面的推進，采空區(qū)后側(cè)遠端的水平位移要高于近端的水平位移值。

對于走向地表水平位移，不同于傾向地表水平位移特征，走向地表水平位移主要沉降區(qū)呈現(xiàn)正負交替發(fā)展趨勢，開采后期以正值發(fā)展為主。主要原因在于，空間分布上工作面未到達測點所在位置時，受巖移角的影響，地表水平位移朝向切眼位置發(fā)展，此時水平位移變現(xiàn)為負值；當工作面超過測點時，地表水平位移朝向采空區(qū)中心位置發(fā)展，此時水平位移表現(xiàn)為正值。水平位移最大值發(fā)生在測點B14(采空區(qū)中心區(qū)域)，約為2.75 m。

3.3 地表傾斜特征

對于傾向地表傾斜，總體上呈現(xiàn)正弦變化特征，主要由采空區(qū)兩側(cè)向采空區(qū)中心區(qū)域發(fā)展，表現(xiàn)為正負變化，其中，在測點A11附近出現(xiàn)了突變情況。在采空區(qū)中心及沉降邊緣區(qū)域傾斜值較小，在巷道附近傾斜值變化較大，隨著地表沉降趨于穩(wěn)定，最大傾斜值出現(xiàn)在測點A12與A22位置，分別46.23 mm/m和-41.54 mm/m。

對于走向地表傾斜，總體呈現(xiàn)正負交替發(fā)展。受地形條件的影響，地表傾斜值要比傾向地表傾斜值大得多，隨著回采后期地表沉降趨于穩(wěn)定，最大傾斜值出現(xiàn)在測點B8與B17位置，最大傾斜分別為81.67 mm/m與60.53 mm/m，走向最大傾斜約為傾向的2倍。

4 結 語

1) 地表沉降發(fā)展主要表現(xiàn)為緩慢—快速—緩慢增長趨勢，在開采中心區(qū)域地表沉降最大，走向最大沉降值明顯高于傾向方向，沉降具有突變性，總體沉降范圍超過了180 m；在走向上會出現(xiàn)次級沉降中心，變現(xiàn)為雙沉降中心發(fā)展特征，需重視走向方向地表沉降對地表設施的影響。

2) 傾向地表水平位移呈現(xiàn)正弦變化特征，采空區(qū)中心區(qū)域水平位移最小，最大值出現(xiàn)在兩側(cè)巷道附近，分別為-2.15 m與1.26 m；走向地表水平位移主要沉降區(qū)呈現(xiàn)正負交替發(fā)展趨勢，開采后期以正值發(fā)展為主，水平位移最大值約為2.75 m。

3) 傾向地表傾斜總體上呈現(xiàn)正弦變化特征，主要由采空區(qū)兩側(cè)向采空區(qū)中心區(qū)域發(fā)展，存在突變現(xiàn)象，在采空區(qū)中心及沉降邊緣區(qū)域傾斜值較?。蛔呦虻乇韮A斜總體呈現(xiàn)正負交替發(fā)展，最大傾斜約為傾向的2倍。