深部大采高开采地表沉陷研究

文/魏启明强明

宁东矿区属于典型的浅埋多煤层开采条件，开采沉陷损害特别是在浅部开采以塌陷坑损害、地表开裂裂隙迫害的非连续性移动为主要特征。矿区采煤损害程度极为严重，各矿变形值均超过《规程》规定。羊场湾煤矿地处宁东矿区，是神华宁煤重要的煤炭生产基地，属于新建矿井，一直未开展地表与岩层工作，缺乏地表移动参数。为确保羊场湾煤矿“三下”采煤工作顺利开展，推进宁东基地资源综合利用、改善区域生态环境，实现可持续发展，是当前迫切需要解决的问题。

一、地质概况

神华宁煤集团羊场湾煤矿为西北首座千万吨级现代化矿井，井田南北长9.9km、东西宽12.8km，面积58.52km2。探明可采储量5.30亿吨，设计年产原煤1500万吨。由一号和二号井组成，两井生产系统独立，采用斜井开拓。观测区130201工作面为羊场湾13采区首采面，走向长度1550m，倾向长度300m，平均垂深515.3m，开采煤层为二煤层，平均煤厚8.3m，煤层倾角5°，可采指数1。距煤层直接底板0.6m处含一层夹矸 （泥岩），结构较简单，厚度变化在0.2～0.5m之间，平均厚0.3m，夹矸由工作面南部向北逐渐变薄。硬度系数f=1～2，韧性指标 9～10。

二、地表移动变形研究

1.观测站建立

130201工作面设计形状规整，受外界影响因素相对较少，地表也较为平坦，是建立地表移动观测站的良好场所。受工作面北侧F201正断层、Y212工作面采空区及切眼处工作面 （高差约20m）高地的影响，综合考虑设置成剖面线观测站，观测线位于停采线一侧。

由于130201工作面上方地表多为沙地，测点的埋设和保存较为困难，为了更好地反映开采时地表沿走向和倾向两个方向的移动变化规律，综合考虑观测站设置一条倾向观测线和半条走向观测线，位置均在停采线一侧，如图1所示。

2.地表移动变形观测

羊场湾煤矿地表移动观测工作分连接测量、全面测量、日常观测三个部分。本次共埋设控制点标石7个（走向3个，倾向 4个），观测点74个（走向31个，倾向43个），走向和倾向相邻点间距30米。

3.观测误差分析

在观测初期，分别对两条观测线共81个观测点进行了两次全面观测，通过对81个点的两次观测较值，根据中误差计算公式，可以求得本次观测站测量每个高程点的测量中误差为：

考虑到气候、温度、点的稳定性，以及采动松软等条件的影响，边界下沉值误差确定为10mm。

图1 观测站设计方案

4.移动规律

本次共进行了19次全面观测，19次日常观测，均按照设计要求进行了观测和计算，基本获得了本地质采矿条件下的岩层与地表移动变形规律，走向观测线下沉情况如图2、图3、图4、图5所示。

图2130201 工作面地表岩移观测走向线沉降过程线组合图

图3130201 工作面地表岩移观测倾向线沉降过程线组合图

图4130201 工作面地表岩移观测倾向线累计沉降量曲线图

图5130201 工作面地表岩移观测倾向线累计沉降量曲线图

结论：从走向和倾向方向的移动变形曲线来看，最大下沉位于工作面中部，最大下沉点A22，下沉值达到3034mm，最大倾斜位于工作面边界上方，最大曲率位于工作面边界上方左右一定范围之内，最大水平移动位于工作面边界处，最大水平变形位于工作面边界上方左右一定范围之内。

三、岩层移动参数及其特征分析

1.主要移动参数

在对实测资料分析的基础上，求取了岩层与地表移动参数，见表1所示。

表1 岩层与地表移动参数

2.其他移动变形特征

根据对实测资料和具体条件进行综合分析，开采为走向方向充分采动，倾向方向为非充分采动条件下的规律，在此基础上得到以下特征规律：

（1）本次开采下沉系数（率）0.73，在工作面边界上方伴有裂缝现象的发生；最大下沉点偏向下山方向明显 （最大下沉角达到 82.1°，系数约为 1.05）；走向、上山和下山方向的移动角值基本相同。

（2）呈现危险移动范围集中和下沉活跃期的集中性，活跃期为三个月。

（3）移动角正切值偏大，根据计算为3，从这一值来看，又几乎达到了充分采动条件。

3.不足

在建立观测站的基础上取得了一些结论，但仍存在一些不足之处，结论仍需得到进一步的验证，主要存在如下问题：

（1）建立的130201工作面地表移动观测站，是对单一煤层（二煤）引起的地表移动进行观测，尚未对多煤层开采的地表移动变形规律进行研究。

（2）通过实地观测法研究了矿区地表与岩移规律，但所取得的结论可能由于观测站布设方式、地质因素、观测方法的差异而缺乏代表性，还需要进一步对羊场湾地表和岩层移动规律进一步研究。

（3）由于仅采用实地观测法进行地表沉陷研究，研究方法单一，缺少比对对象，要掌握更为确切的规律性数据与规律，还需要开展进一步的验证、试验、观测、分析和总结。