煤矿深部开采地表沉陷规律研究

张道群

摘要：目前徐矿集团煤炭资源日趋枯竭，旗下大多煤矿已进入深部开采阶段，地质结构较为复杂，工作面布置不规则及部分煤矿需要回收边角煤柱等问题都对工作面的合理布置及开采后的地表沉陷计算带来了严重的影响。基于此，本文在徐矿集团夹河矿深部建立了地表移动观测站，开展深部地表移动变形观测工作，分析地表移动变形规律，取得了可靠的地表移动变形参数。通过对监测数据和深部开采后地表移动变形规律的研究，以期为徐矿集团其他矿井的深部开采提供重要的借鉴资料。

关键词：煤矿资源；深部开采；地表沉陷；移动变形规律

1.研究背景

目前据不完全统计，我国国有煤矿建筑物下、铁路下、水体下以及承壓水上压滞的煤炭储量在130亿t以上，建筑物下的压煤量多大80亿t，占整个“三下一上”压煤量的60%，其中村庄下压煤量最大，其次是工业场地下压煤量，再其次是其他工业与民用建筑物下压煤量。徐州矿务集团已有120多年的开采历史，煤炭资源日趋枯竭，截至2006年底，煤矿可采储量约5亿t左右，其中“三下”压煤量约3.1亿t，占62%。并且目前大多数矿井已进入深部开采阶段，地质构造复杂，工作面布置不规则，甚至有些矿井还需要回收边角煤柱这些都给工作面的布置及开采后地表沉陷计算带来很大难度。

开采沉陷预计是“三下”开采设计的基础，地表及移动规律又是正确进行开采沉陷预报和合理留设保安煤柱的前提。为了确定丁场，李场，郭桥等村庄受开采影响程度，指导“三下”采义工作及村庄搬迁工作，尽量使村庄不迁或少迁，特在夹河矿深部建立地表移动观测站，开展深部地表移动变形观测工作，分析地表移动变形规律，取得可靠的地表移动变形参数。通过现场多个工作面采后地表观测站得到的监测数据来分析，研究夹河矿深部煤层开采后地表移动变形规律。其结果将为徐州矿务集团公司其它矿井的深部开采有着重要的指导意义，同时对我国煤炭企业能最优的充分利用煤炭资源、保护环境，推动煤矿技术进步和煤炭工业的可持续发展也具有重要意义。

2.地面观测站的设计布置

走向、倾向观测线理论上是在工作面上方沿走向、倾向布置两条垂直观测线，根据夹河煤矿-1000m以下煤层赋存和地面村庄、农田、道路等实际情况，为了不占用地面土地.降低观测站的建站费用，观测点将来易于保存和使用，我们沿河汉公路大寨路各布置一条观测线，观测点间距50m左右，控制点间距50～80m，计103个测点。考虑监控李场村变形发展情况，在村内布置半条观测线，点间距30～50m，测点20个。

2.1移动角值确定

本设计所用参数采用徐煤局（1990）898号文规定的徐州西部矿区地表移动和变形参数，按国家煤炭工业局2000年编写的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》参照《煤矿测量手册》中移动调整值的选取，并结合研究区域煤层倾角20-25°”，局部大于30°，下山，走向及上山移动角调整后的边界角见下表

两钻孔资料本区冲积厚度选取100m，2447工作面开采上限为-945m，下限为-1010m，地表标高为41.5m。

2.2走向、倾向观测线长度

观测线的平面位置结合地表情况选择，倾向观测线起点为河汉公路的黄河桥终至大寨路北约500m，全长约3500m.走向观测线西起徐州市西绕城高速公路，沿大寨路向东约3500m。为配合下一步矿开采计划，在李场东西路至西绕城高速公路交叉处及村庄南北小路各设置两条观测线，测点间距离50m，控制点间距离80m，走向观测线由于采区内工作面布置为双翼走向长壁，开切眼向外又与庞庄矿相连，故走向根据现场情况尽量选取至西绕城高速公路附近，测点间距50m，李场村南北线测点间距30m，为尽量不受影响，控制点选取时，尽量选在了西绕城高速公路附近。

3.观测站连测方法与日常观测工作分析

根据夹河矿地面控制网和观测站的位置，平面坐标依据徐州市三环路上的KSL1.STO1两个已知GPS点为起始点，采用南方产灵锐S-82静态GPS观测求得，其精度达1/11.8万，首次全面观测采用日本产NIKON DTM-532型全站仪测量测点坐标，而后根据坐标计算两点间距离，导线技术要求按5”导线要求，水准技照四等水准的技术要求进行实测，采用瑞士威尔特S3，水准仪配黑红面尺。

全面观测将各测点与地面控制网连测，包括各测点的水准测量、点间距的丈量和测点偏离观测线的支距测量，地表移动前和地表移动后的全面测量必须独立进行两次。巡视测量在一般情况下，切眼起推进到13H-1/6H （H为采深）时，地表开始移动，即在预计可能首先移动的地区，选出几个工作测点，每隔4～5天进行一次水准测量，当某一点累计下沉大于10mm时，即认为地表已开始移动，可进行第一次全面观测，当进入活跃期时，应加密水准测量次数，每次观测必须1天内完成。

工作面回采结束后，地表移动逐渐转入衰退期，直至稳定，可在结束活跃期的全面观测以后，进行定期的水准测量，其间隔时间一般为1～3个月，至地表各点6个月内的下沉量都不大于30mm为止，这时就可进行最后的全面测量。

采前的水准测量按国家四等水准利量的要求进行，移动期间和采后的水准测量时，必须先测量转点的读数，再按水准路线的前进方向，读取各中间点的水准尺，直至下一个转点，水准测量的各项限差均按现行规程要求，采前独立进行的两次水准测量，经平差后所得各测点之差，不得大于10mm，然后取平均值作为原始数据，IV等水准点必须附合于III等的观测控制点上，每次水准测量前，均应对所用仪器、标尺进行检校，达不到要求，不能使用。

各测点间的距离测量采用比长的钢尺进行往返丈量，丈量时，对钢尺施以15Kg的拉力，以不同起点读数三次，读至0.5mm.三次丈量互差不大于2mm，同时记录温度，计算时加入比长，温度、倾斜改正。

采用测距仅进行支距测量时，先测出该测点和两端控制点之间连线的夹角（a），再测出该测点到控制点之间的平距（D），支距S为各点的支距值必须注明它在观测线的左方还是右方，或用“+”“-”号来表示。采前独立两次测量同一点的支距值之差不得大于30mm，然后取平均值作为原始数据。

4.结论

综合观测站几年实测资料分析有如下结论：

（1）深部开采影响范围较大，然而深部开采引起的地表移动与变形要比浅都小。相同的地质采矿条件下，浅部比深部更容易达到充分采动：随着采出宽度的不断增加，不管深部还是浅部地表各项移动变形值相应增大，但深部增加的幅度要比浅部小。随着采宽的增加，深部开采引起的水平变形增加幅度既平缓又小。

（2）考虑观测站设立前的下沉值，工作面按多次重复采动影响，根据最终观测资料分析和类比得出，该区域深部倾斜煤层开采地表移动参数：地表下沉系数q=0.55，走向移动角δ=74°，下山移动角β=61°，表土层移动角φ=45°，上山移动角γ=70°。

（3）深部开采具有影响范围大，下沉相对平缓，曲率变形值较小，岩层移动角偏大，开采影响传播系数偏大，拐点偏移系数偏小，移动周期较长，活跃程度降低。回采基本在工作面推进500mm左右（5m/d推进速度）地面开始受影响，

下山方向比上山方向下沉值要大。