薄煤層綜采地表移動變形規(guī)律研究

楊樹才

(山西蘭花集團(tuán) 莒山煤礦有限公司，山西 晉城 048002)

對地表沉陷規(guī)律的觀測與研究是開展“三下”采煤技術(shù)的基礎(chǔ)[1-2]。自20世紀(jì)50年代以來，我國開展了一系列地表巖移觀測工作，掌握了一般條件下的地表移動規(guī)律[3]。但隨著煤層開采深度的逐漸增大，特別是隨著綜采技術(shù)的推廣和普及，采動區(qū)地表的移動變形規(guī)律表現(xiàn)出新的特征[4-5]，因此，開展綜采條件下地表沉陷規(guī)律研究就顯得十分必要和迫切。

為系統(tǒng)掌握綜采條件下地表移動變形規(guī)律和機(jī)理，莒山煤礦于2018年初建立了2306綜采工作面地表巖移觀測站，根據(jù)工作面開采進(jìn)度進(jìn)行了系統(tǒng)的觀測及研究。本研究在對現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地觀測和資料分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論分析，求取了莒山煤礦特定地質(zhì)采礦條件下的巖移參數(shù)和巖移角值，揭示了本礦薄煤層、綜采條件下地表沉陷變形規(guī)律和機(jī)理，為莒山煤礦今后開展村莊下、鐵路下、公路下采煤以及合理留設(shè)保護(hù)煤柱提供了科學(xué)依據(jù)，對提高煤炭資源回收率、增加可采儲量、保持礦井高產(chǎn)高效，具有重要的戰(zhàn)略意義。本研究對綜采條件下礦區(qū)自然和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，緩解因開采損害及征地引發(fā)的工農(nóng)矛盾，確保礦區(qū)經(jīng)濟(jì)的和諧發(fā)展具有重要意義。

1 試驗(yàn)工作面概況

莒山煤礦目前主采9號煤層，該煤層位于太原組三段下部，厚0.37～1.55 m，平均厚1.24 m，井田西南部煤層厚度最大，西北部煤層厚度最小，其煤層結(jié)構(gòu)簡單，含0～2層矸石。9號煤層距上覆3號煤層平均距離為54.36 m，頂板以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主；底板多為泥巖，局部為砂質(zhì)泥巖。

2306工作面位于9號煤層二采區(qū)南翼，該工作面東西向布置，采寬249.5 m(不含兩巷)，推進(jìn)長度約1 760 m，2306工作面巷道平面布置如圖1所示。工作面從西向東仰斜推進(jìn)，自2018年3月開始回采，至2019年7月回采結(jié)束，月推進(jìn)距離約為114 m。

圖1 2306工作面巷道平面布置

2 觀測站建立與實(shí)測

巖層與地表移動過程十分復(fù)雜，受眾多地質(zhì)因素影響。目前，研究地表巖移最常用的方法是實(shí)地觀測[6-7]。通過對觀測資料的綜合分析，找出各種因素對移動過程的影響規(guī)律，再運(yùn)用這些規(guī)律解決開采沉陷中遇到的問題。

2.1 觀測站布置

在2306工作面上方布設(shè)了A、B兩條觀測線。B觀測線沿東西方向(即2306工作面走向方向)布設(shè)，A觀測線沿南北方向(即垂直2306工作面走向方向)布設(shè)，兩條觀測線均設(shè)在地表移動盆地的主斷面上，觀測線的布設(shè)情況見表1和圖2。A觀測線布工作測點(diǎn)45個，編號為1～45，測線北側(cè)設(shè)控制點(diǎn)3個，編號為R1、R2、R3，測線長度為1 264.2 m。B觀測線布設(shè)工作測點(diǎn)41個，編號分別為46～86，觀測線西側(cè)布控制點(diǎn)3個，編號分別為R4、R5、R6，測線長度為1 104.9 m。

表1 2306工作面地表巖移觀測站基本情況

圖2 觀測線布設(shè)示意

2.2 地表移動變形觀測

結(jié)合2306工作面的開采規(guī)劃和現(xiàn)場實(shí)地勘探情況，于2017年12月完成了2306工作面地表巖移觀測方案設(shè)計(jì)，2018年2月完成了觀測站測點(diǎn)的制造和埋設(shè)工作。2306工作面于2018年3月13日開始回采，開采9號煤，由西向東仰斜推進(jìn)，至2019年7月16日，工作面回采結(jié)束，累計(jì)推進(jìn)長度為1 760 m，一次采全高，全部垮落法管理頂板。

2018年3月26日—2019年10月29日，地表巖移觀測站共進(jìn)行了18次導(dǎo)線測量和18次水準(zhǔn)觀測，取得了大量的原始觀測數(shù)據(jù)，為地表沉陷規(guī)律的研究打下了良好的基礎(chǔ)。采動期間巖移觀測情況如表2所示。

表2 2306工作面巖移觀測情況

觀測所用的主要儀器設(shè)備為：中緯ZT20R全站儀、中緯ZDL700電子水準(zhǔn)儀。導(dǎo)線測量確定各測點(diǎn)的平面坐標(biāo)，水準(zhǔn)測量的測量精度為四等。各環(huán)節(jié)觀測工作均符合《煤礦測量規(guī)程》及觀測站設(shè)計(jì)說明書的要求。

3 地表移動變形參數(shù)及規(guī)律

3.1 地表移動變形參數(shù)確定

2306工作面自2018年3月開始回采以來，地表沉陷變形劇烈，在工作面上方出現(xiàn)了明顯的下沉盆地，在工作面開采邊界外側(cè)，地表拉伸變形顯著，地表裂縫發(fā)育(如圖3所示)。通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，工作面巷道外側(cè)約70 m范圍內(nèi)地表裂縫最為發(fā)育，密集區(qū)裂縫發(fā)育間距為10～20 m，裂縫最大寬度為70 mm，未發(fā)現(xiàn)明顯的臺階下沉。該范圍以外，裂縫密度、寬度明顯減小，通常在30 mm以下，距離工作面最遠(yuǎn)的裂縫發(fā)育于運(yùn)輸巷北側(cè)約175 m處；在下沉盆地中部，壓縮變形明顯，地表伴有輕微隆起現(xiàn)象(如圖4所示)。

圖3 開采邊界地表裂縫

圖4 下沉盆地中部地表壓縮變形

基于上述計(jì)算方法，計(jì)算不同采動時期工作面上方地表的下沉、傾斜等變化值，得出了地表巖移觀測站最大移動和變形值，如表3所示。

表3 實(shí)測觀測站最大移動變形值

根據(jù)地表移動觀測站的實(shí)測數(shù)據(jù)，采用曲線擬合法進(jìn)行反復(fù)的求參計(jì)算，得到了應(yīng)用概率積分法所需的主要參數(shù)，如表4所示。

表4 地表移動預(yù)計(jì)參數(shù)

3.2 地表移動變形規(guī)律

本區(qū)域的地表移動與變形呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：

1) 地表沉陷變形劇烈，變形分布集中。采空區(qū)上部地表下沉量大，而邊界附近下沉量則迅速降低，地表移動變形較為集中，邊界外下沉較平緩，收斂緩慢。

2) 地表下沉系數(shù)、主要影響角正切較大，拐點(diǎn)偏移系數(shù)略小。主要由于2306工作面推進(jìn)速度快，覆巖離層、裂隙未得到充分發(fā)育，下沉值及下沉系數(shù)有所增大；開采期間覆巖在水平方向的移動明顯滯后于豎直方向，致使采空區(qū)正上方沉降顯著，開采邊界以外下沉值較小，表現(xiàn)為主要影響角正切較大；拐點(diǎn)偏移系數(shù)小主要與工作面開采深度較大有直接關(guān)系。

3) 地表裂縫發(fā)育明顯?，F(xiàn)場產(chǎn)生了兩種類型裂隙，一種是動態(tài)裂縫，在工作面前方動態(tài)拉伸區(qū)不斷出現(xiàn)，間距通常為10～20 m，與回采線大致平行且呈弧狀，裂縫寬度通常在5～20 mm之間，隨工作面推進(jìn)逐漸閉合。另一種是在工作面外側(cè)地表拉伸區(qū)的固定裂縫，裂縫方向與采空區(qū)邊界方向基本一致，寬度一般為20～40 mm，臺階狀下沉不明顯。

4 結(jié) 語

1) 根據(jù)莒山煤礦2306工作面地表實(shí)測數(shù)據(jù)，對試驗(yàn)段工作面地表下沉值、曲率等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，采用曲線擬合法和理論分析，得出了地表下沉系數(shù)、水平移動系數(shù)、主要影響角正切等關(guān)鍵參數(shù)，測定地表移動總延續(xù)時間為388 d。

2) 揭示了莒山煤礦薄煤層、綜采條件下地表沉陷變形規(guī)律與特點(diǎn)：地表下沉量大，下沉速度快，下沉盆地陡峭，變形分布集中。