马家沟矿急倾斜煤层开采地表移动规律分析

戴华阳,田秀国,,赵胜利

(1.中国矿业大学 (北京),北京 100083;2.开滦集团有限责任公司,河北唐山 063018)

马家沟矿急倾斜煤层开采地表移动规律分析

戴华阳1,田秀国1,2,赵胜利2

(1.中国矿业大学 (北京),北京 100083;2.开滦集团有限责任公司,河北唐山 063018)

根据唐山马家沟矿多年积累的实测资料,对马家沟矿急倾斜煤层开采的地表移动规律进行了总结,揭示了急倾斜煤层开采条件下地表沉陷在空间上的分区沉陷特点。

急倾斜;地表移动与变形;分区沉陷

马家沟矿开办于 1908年,是一座具有百年开采史的老矿,井田范围内村庄、城镇较多,造成深部大量煤炭被村镇滞压。据 2008年底的统计,全矿“三下”压煤总量为 35.06Mt,压煤量占全矿井可采储量 40.91Mt的 85.7%,非“三下”压煤可采储量仅为 5.85Mt,只占 14.3%。“三下”压煤开采已成了马家沟矿生存与发展的首要技术难题。

为掌握该矿具体地质采矿条件下的地表移动变形规律,解决“三下”采煤等问题,马家沟矿开展了地表移动变形观测研究,自 1995年起在井田内地表设置了地表移动观测站,获得大量的实测数据资料。通过分析研究,初步掌握了该地质采矿条件下的地表移动变形规律和特点,为矿井“三下”采煤提供了可靠的依据。

1 地质采矿条件

1.1 地质条件

马家沟矿为急倾斜矿井,井田内地层倾角五水平 (-325.0m)以上基本小于45°,为倾斜区,五水平以下为急倾斜区,倾角在 45°以上,且从东向西有逐渐增大的趋势,部分地段有地层倒转现象。该矿属古生界石炭、二迭系煤田,井内主要开采煤层为二迭系 9-2煤和石炭系 12煤,两层煤相距近30m,9-2煤层为全区稳定可采复杂结构的厚煤层,煤厚 1.7～6m,一般为 4.3m,直接顶为中粒砂岩,岩层厚度 1.3～2.5m,平均 2.0m,基本顶为中粒砂岩,岩层厚度 2～6m,平均 4m,直接底为黏土岩,岩层厚度 0.6～2.0m,平均 1.3m;12煤为全区稳定的厚煤层,一般厚度 7m,直接顶为粉砂岩或泥岩,岩层厚度 0.5～2.5m,平均 1.5m,基本顶为细砂岩,岩层厚度 4～5m,平均 4.5m,直接底为中细粒砂岩,厚度 2～5m,平均 4 m。上覆基岩主要以砂岩、砾岩和泥岩为主,岩性中硬,第四系冲积层厚度不定,一般为 0～36m,由土、砂、砂质黏土、黏土、砂及卵石、流砂、砾石组成。井田内地质构造复杂,

断层发育,该区域主要受 F2断层的影响,F2断层为井田范围内落差最大的断层。

1.2 采矿条件

现阶段,马家沟矿九水平以上已全部采完,现正回采十水平,且集中于 5,7,8,10等 4个石门间。受地面建筑 (村庄)压煤影响,十水平以下不能进行开采,十水平西翼 1石门至 4道半石门为开平镇压煤,5石门东部分压煤,9,10,11石门为耿家营、国各庄压煤。地面标高 +32.2m,九水平标高为 -700m,十水平标高为 -800m,每个水平又按垂高分为 3个面,每面垂高 30m左右,走向长 100～220m。矿井采煤方法主要为落垛式炮采,全部冒落法控制顶板。

2 观测站情况

马家沟矿于 1995年 3月在井田西翼半壁店地表设置了地表移动观测站,观测站包括 1条倾向观测线和 3条走向观测线。倾向线设置测点 40个,分别为 R1～R7,1～33。3条走向线称为西线 (W线)、氧气厂线和东线 (E线),点编号分别为W1～W14,y1～y5,E1～E12。马家沟矿半壁店观测站平面布置见图1。

图1 马家沟矿半壁店观测站平面布置

根据 1995年 7月～2000年 3月观测期间的岩移资料,绘制了半壁店观测站倾向线的地表下沉与水平移动实测曲线图 (图 2、图 3)。在这期间,倾向观测线水准观测共观测了 35次,水平移动观测共观测了 26次 (集中于 1995年 7月～1998年 2月)。这个时间段内马家沟矿主要是开采九水平及部分十水平 (-600～-700m),九水平西翼分为5个石门,开采时间分别为:6石门 1994年～1996年,7石门 1997年～2003年,8石门 2001年～2002年,9石门 1997年～1999年,10石门 1998年～1999年;十水平西翼开采 2个石门,开采时间分别为:7石门 2003年～2008年;8石门 2003年～2008年。九水平西翼布置 20个工作面,十水平西翼布置 12个工作面,西翼 5石门以西累计采出空间 7028727m3,采出煤量 7.872Mt。

3 地表移动规律分析

由于本观测站受多工作面重复采动影响,观测成果并不能与每个工作面开采时间和开采水平一一对应,但从总体来看,马家沟矿急倾斜煤层开采的地表移动呈现如下规律:

图 2 半壁店观测站倾向线地表下沉实测曲线

(1)急倾斜煤层深部开采最大下沉值小 (相对于煤层采厚和开采垂高) 从倾向观测线上地表实测数据来看,半壁店观测站倾向线上 1995年7月～2000年 3月,观测到的最大下沉值为621mm (33号测点)。由于采动影响周期长,部分测点缺失,观测工作也存在断续问题,而且在观测的走向方向上煤层采厚的变化较大,因此,在倾向观测线上测得的最大下沉值要小于实际的地表最大值。此最大下沉值相对于煤层采厚 (9煤 4m,12煤 6m)和九水平开采垂高 90m而言,比起缓倾斜煤层开采、或急倾斜煤层浅部开采,其单位采厚和单位阶段垂高的沉陷率显然很小。

图 3 半壁店观测站倾向线地表水平移动实测曲线

(2)急倾斜煤层深部开采边界角小,地表沉陷范围大 从地表沉降范围来看,半壁店观测站倾向线 1995年 7月～2000年 3月,1号测点的下沉值为 10mm,以此作为移动边界点,其到当时的开采下边界的平距为 1250m,下边界采深 680m,可求得此处顶板边界角β0=28.5°。这说明急倾斜煤层开采边界角小,总体上岩层移动传播平缓,深部开采地表影响范围大。

(3)急倾斜煤层开采地表移动呈现明显的分区沉陷特点 从半壁店观测站倾向线 1995年 7月至 2000年 3月实测下沉值可以看出,地表 (主要指煤层顶板一侧)下沉分布按数量大小具有分区变化的特点:

测点 R5～6号点之间 300m范围内,区内最大下沉只有 50mm,一般为 10～30mm,区内下沉平均变化率为 0.067mm/m。该区域下沉量很小,变化幅度很小,称为“轻微沉降区”。

6号～11号测点 150m范围内下沉量为 50～200mm,区内下沉平均变化率为 1.0mm/m。该区域下沉量较小,但变化幅度很大,称之为“下沉增长区”。

12号～26号测点 480m范围内下沉量为 250～330mm,区内下沉平均变化率为 0.167mm/m。该区域下沉量最大,但变化幅度较小,表现为整体同步下沉的特点,称之为“整体沉降区”。

沉降分区性表现为 3个方面:区内沉降幅度接近;区内沉降幅度变化具有共性;各分区之间沉降量变化不连续。半壁店观测站倾向线 1995年 7月至 2000年 3月实测下沉分区特性见表 1。

表 1 半壁店观测站倾向线实测下沉分区特性(1995.7～2000.3)

由表 1可以看出,各分区之间地表下沉量相差很大,但同一下沉区内特别是轻微沉降区和整体沉降区内下沉差较小,变形较小。分区内下沉变化率表明,轻微沉降区的下沉变化最小,整体沉降区次之,下沉增长区最大;轻微沉降区为下沉增长区的1/15,整体沉降区为下沉增长区的 1/6。

这种分区变化形式是马家沟矿急倾斜煤层开采引起的地表沉陷的最显著特点,它决定地面建筑物的采动影响程度和方式,对于建筑物保护,总体而言,这种特点既有利又有弊。掌握其特点是为了因势利导,避害就利,最大限度地解放压煤。

(4)在一定的开采垂高内,开采影响程度随着开采强度的加大而不断增大,而采动影响范围并不显著扩大 从不同时期地表移动的观测结果可看出,随着开采深度和开采垂高的增加,沉陷量不断增大,但沉陷范围并不显著扩大。这表明地表沉陷的分区格局一旦形成,便对整个采动影响区地表的移动和变形起到控制作用,无论是地表移动的时间过程还是向下延伸阶段的空间开采过程,都不易改变此种移动变形的分布特点。这一特点说明,急倾斜煤层开采地表变形既具有分布上的集中性,又具有沉陷时间过程上的稳定性,也就是损害位置集中且损坏范围不易扩展。这对于大范围建筑群的保护也是有利的。

4 结 论

(1)急倾斜煤层深部开采,地表沉陷范围偏大,最大下沉值相对于煤层采厚和开采垂高偏小。

(2)在一定的开采垂高内,开采影响程度随着开采强度的加大而不断增大,而采动影响范围并不显著扩大。

(3)急倾斜煤层开采地表移动呈现明显的分区沉陷特点,依据地表沉陷量及其平均变化率,可将沉陷区分为轻微沉降、下沉增长和整体沉降区。

(4)急倾斜煤层开采地表沉陷的分区特点,表明急倾斜煤层开采地表损害位置容易集中但范围不易扩展,对大范围建筑群的保护是有利的,可因势利导,避害就利,最大限度解放建筑物下压煤。

[1]李栖凤.急倾斜煤层开采 [M].北京:煤炭工业出版社, 1984.

[2]戴华阳,王金庄.急倾斜煤层开采沉陷 [M].北京:中国科学技术出版社,2005.

[3]刘天泉,陈树田,陈学涵.水体下开采急倾斜煤层的初步研究 [J].煤炭学报,1995,2(3):1-14.

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[责任编辑:徐乃忠]

Rules of SurfaceM ovement Induced byM in ing Steeply Inclined Coal Seam in Majiagou Colliery

DA IHua-yang1,TIAN Xiu-guo1,2,ZHAO Sheng-li2

(1.China University ofMining&Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.Kailuan Group Co.,Ltd,Tangshan 063018,China)

According to long-ter m observation data ofMajiagou Colliery in Tangshan,this paper concluded surface subsidence rules of mining steeply inclined coal seam and obtained subarea subsidence characteristic of surface subsidence in space under steeply inclined coal seam mining condition.

steeply inclined;surface movement and deformation;subarea subsidence

TD325.4

A

1006-6225(2010)05-0048-03

2010-06-09

国家自然科学基金项目 (50974122)

戴华阳 (1964-),男,湖南湘阴人,教授,博士生导师,从事开采沉陷与“三下”采煤、变形监测方面的教学与研究。