井下采動(dòng)對地表巖層移動(dòng)的影響研究

梁福兵，武亞男，王靜波

（山西長治聯(lián)盛首陽山煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000）

0 引言

隨著煤層開采效率的提升，工作面在經(jīng)過采動(dòng)的劇烈影響后，將會(huì)造成地表位置的巖層移動(dòng)。生產(chǎn)礦井為確保煤炭開采的合理性和煤柱留設(shè)的具體尺寸，將會(huì)對礦區(qū)內(nèi)的圍巖及地表移動(dòng)規(guī)律及有關(guān)參數(shù)進(jìn)行觀測分析，掌握地表和巖層移動(dòng)的基本規(guī)律[1-3]。為了削弱煤炭開采對地表構(gòu)筑物等造成的影響，根據(jù)首陽山煤業(yè)3 號煤層具體地質(zhì)條件，將在首陽山某礦3102（全文簡稱3102）工作面建立地表移動(dòng)觀測站，從2020 年1 月—2020 年10 月對地表沉陷進(jìn)行現(xiàn)場觀測。目的在于從而在最大限度地采出煤炭資源的前提下，又能有效保護(hù)地表建筑物。因此，本項(xiàng)目對提高煤炭資源采出率和開采效益等均具有十分重要的理論和實(shí)際意義。

1 礦井概況及工作面條件

首陽山煤礦位于山西省長治市，井田面積為6.68 km2，目前所開采的3 號煤層平均厚度為4.6 m，煤層平均傾角4°。本次所監(jiān)測的3102 回采工作面寬90 m，長807 m（實(shí)際開切眼與停采線距離），平均采深98 m。設(shè)站工作面為本礦3 號煤層頂板巖性為灰?guī)r、泥巖等煤系地層，屬中硬-堅(jiān)硬巖石，采煤方法設(shè)計(jì)為走向長壁綜合機(jī)械化綜采放頂煤采煤法。

2 地表移動(dòng)觀測站設(shè)計(jì)

2.1 觀測站的布置

觀測站的布置方式主要分為網(wǎng)狀觀測站和剖面線狀觀測站，目前更多礦井地面采用的是剖面線狀觀測站。當(dāng)回采工作面處于充分采動(dòng)的前提下，觀測線可以設(shè)置在盆地的平底部分；如果采動(dòng)不充分，觀測線通常設(shè)在移動(dòng)盆地的主斷面位置。觀測中將于采動(dòng)影響范圍內(nèi)設(shè)置觀測點(diǎn)，在采動(dòng)過程中該點(diǎn)應(yīng)與地表同時(shí)移動(dòng)。根據(jù)礦區(qū)地形特點(diǎn)，選擇剖面型線狀普通地表移動(dòng)觀測站進(jìn)行布置，并設(shè)計(jì)走向觀測線和傾斜觀測線互相垂直。

2.2 觀測線位置的確定

3102 工作面長807 m，平均埋深為98 m，沿著傾向推進(jìn)，則判斷傾斜方向?yàn)槌浞植蓜?dòng)、走向方向?yàn)榉浅浞植蓜?dòng)。參照首陽山煤業(yè)3102 工作面地質(zhì)采礦條件以及《煤礦測量規(guī)程》的規(guī)定，共在地表移動(dòng)盆地的主斷面布置一條走向觀測線及兩條傾斜觀測線，并按規(guī)定垂直布置。

2.2.1 傾斜觀測線位置的確定

剖面線狀觀測站的設(shè)計(jì)圖如圖1 所示。

圖1 觀測站平面設(shè)計(jì)圖

為使傾向觀測線處于充分采動(dòng)區(qū)域，且不受周邊采動(dòng)的影響，傾向觀測線到開切眼的距離D1應(yīng)按公式（1）進(jìn)行計(jì)算

式中：H0為平均開采深度，96.5 m；h 為松散層厚度，15.83 m；φ 為松散層移動(dòng)角，45°；δ 為走向移動(dòng)角，72°；Δδ 為移動(dòng)角修正值，20°。

將3102 回采工作面的已知數(shù)據(jù)及已取得的該地區(qū)的開采沉陷參數(shù)分別代入式（1）得到D1=78.86 m。

傾向觀測線到停采線的距離D2應(yīng)根據(jù)式（2）計(jì)算：

式中：φ3為走向充分采動(dòng)角，50°。

將3102 回采工作面的已知數(shù)據(jù)及已取得的該地區(qū)的開采沉陷參數(shù)分別代入公式得到D2=80.97 m。

綜上所述，可以得到3102 回采工作面內(nèi)傾向觀測線距離開切眼的距離范圍為：

式中：l 為工作面走向長度，283 m。

計(jì)算得：L≈202 m。

故最終傾向觀測線B、C 線的位置分別取距3102回采工作面開切眼165 m、120 m 處。

2.2.2 走向觀測線位置的確定

走向觀測線應(yīng)按設(shè)計(jì)將布置在移動(dòng)盆地的走向主斷面上。以采空區(qū)中心用最大下沉角與地表相交處的O 點(diǎn)作平行煤層走向的垂直斷面，標(biāo)注走向觀測線的位置。

2.3 傾向觀測線長度的確定

根據(jù)鉆空資料，采區(qū)下山邊界開采深度為106 m，采區(qū)上山邊界的開采深度為87 m，經(jīng)過對角度、表土層數(shù)據(jù)的修正，實(shí)際布設(shè)時(shí)，3102 回采工作面上傾向觀測線B、C 線長度取300 m。

2.4 走向觀測線長度的確定

為了保證觀測線位于移動(dòng)盆地主斷面且不受鄰近區(qū)域采動(dòng)的影響，將在工作面開切眼和停采線處設(shè)置一條走向觀測線。實(shí)際布設(shè)時(shí)，3102 回采工作面上走向觀測線A 線長度取525 m。

2.5 測點(diǎn)數(shù)目及密度

3102 開采深度98 m 左右，根據(jù)《煤礦測量規(guī)程》，在觀測線工作長度以外設(shè)置觀測站布控點(diǎn)，點(diǎn)間距布置為15 m。布控點(diǎn)沿觀測線排列，前后兩端不少于兩個(gè)。在觀測站存在期間，以布控點(diǎn)的原坐標(biāo)作為觀測原點(diǎn)，為保證觀測數(shù)據(jù)的持續(xù)穩(wěn)定，將定期對巖層移動(dòng)進(jìn)行記錄。

3 巖層移動(dòng)結(jié)果

3102 工作面地表移動(dòng)觀測站于2020 年1 月正式建立并進(jìn)行了首次全面監(jiān)測。同時(shí)作為原始數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，直至當(dāng)年10 月30 日結(jié)束觀測。期間共進(jìn)行了12 次巖層移動(dòng)觀測，最終匯總見表1。

表1 3102 工作面開采后地表移動(dòng)和變形最大值

由表1 可知，當(dāng)回采工作面自切眼向前推進(jìn)時(shí)，會(huì)逐步形成地表移動(dòng)盆地。工作面推進(jìn)至開采深度的25%～50%時(shí)，地表處將會(huì)受到影響出現(xiàn)下沉。隨后，在工作面的不斷推進(jìn)中，采空區(qū)面積隨之增大，地表的影響范圍不斷擴(kuò)大，下沉值呈上升態(tài)勢。

圖2-1 為走向方向下沉曲線圖，可以看出當(dāng)非充分采動(dòng)時(shí)，下沉值隨工作面的推進(jìn)而增大，下沉極點(diǎn)隨之前移，地表移動(dòng)盆地的范圍和移動(dòng)量呈上升狀態(tài)；當(dāng)采動(dòng)逐步活躍后，下沉曲線斜率也較大，下沉變化劇烈且更為集中。當(dāng)工作面的回采至充分采動(dòng)時(shí)區(qū)時(shí)，最大下沉值不再增加，在工作面回采結(jié)束后，工作面開采所形成的地表移動(dòng)盆地的剖面形狀呈盆狀。最后一次觀測結(jié)束后，走向觀測線最大下沉值發(fā)生在為3 292 mm。

圖2-2，圖2-3 為2 條傾向方向下沉曲線圖，給出了傾向B 線、C 線上的各測點(diǎn)的下沉值。

從傾向方向的下沉曲線圖2-2 和圖2-3 可以看出：下沉值隨著工作面的推進(jìn)而增大，最大下沉點(diǎn)位于走向主斷面上。C 線、B 線分別距離開切眼為170.6 m、215.6 m，所以工作面此時(shí)已達(dá)到充分采動(dòng)。兩條線的下沉趨勢趨于一致，其中C 線、B 線最大下沉值分別為3 284 mm、3 369 mm。曲線符合地表下沉規(guī)律。

4 結(jié)論

在收集首陽山煤業(yè)3102 工作面的地質(zhì)采礦資料和圖紙的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了巖移觀測站，獲得了比較準(zhǔn)確、可靠的觀測資料進(jìn)行了分析研究，主要得出以下結(jié)論：

1）根據(jù)首陽山煤業(yè)的地質(zhì)采礦條件和上覆巖層結(jié)構(gòu)，建立了地表移動(dòng)觀測站，觀測線沿走向和傾向各一條，實(shí)際共埋設(shè)78 個(gè)測點(diǎn)，分別得出了工作面開采后三條測線最大下沉值、最大傾斜值等特征值。實(shí)測結(jié)果與預(yù)期值相吻合，回采工作完成后地表雖存在一定變形，但仍可滿足后續(xù)開采的要求。

2）根據(jù)對觀測數(shù)據(jù)的分析研究，總結(jié)給出了3102工作面巖層與地表移動(dòng)規(guī)律及其參數(shù)，獲得了巖層移動(dòng)角、邊界角等角量參數(shù)。