浅埋深综放开采下地表沉陷实测规律研究

刘义新

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室

地下煤炭开采引起的地表沉陷是一个十分复杂的过程[1-3]，它受地质、采矿条件的综合影响，要认识这一复杂过程，并获取相应的地表沉陷规律，并为矿井保护煤柱留设、“三下”压煤开采等提供依据，主要方法是通过设置地表移动观测站进行实地观测，然后对这些资料进行综合分析，找出相应的地表移动规律。阳湾沟煤矿6204工作面地表临近工业广场，附近分布有大量建(构)筑物，工作面开采可能影响工业广场建(构)筑物的安全，同时该矿及附近区域无浅埋综放开采条件下工作面开采地表移动实测规律和地表移动参数等研究成果。鉴于此，故在6204工作面上方地表建立地表移动观测站以期求得地表移动规律和指导建筑物附近6204工作面安全开采。

1 工作面与地表移动观测站概况

1.1 工作面概况

6204工作面位于该井田南部，形状呈阶梯状，A段长86.4m，B段长126.5m；A段走向长度106m，B段走向长181m，累计走向长287m。开采石炭系上统太原组6号煤层，煤层厚度9～11m，平均煤厚9m，倾角3°～5°，煤层结构简单。采深161～202m，平均采深182m。工作面采用长壁综合机械化放顶煤开采，一般开采3m，放煤3～6m，采放比1∶1～1∶2，综合采高约6～9m，平均约7.2m，全部垮落法管理顶板。工作面每日推进0.9～4.8m，正常情况下每日推进3.6m。上覆岩层主要由粗砂岩、细砂岩、泥岩及第四系黄土层等组成，马兰组黄土层平均厚度约65m。地质构造和水文地质条件简单。

1.2 地表移动观测站概况

6204工作面上方地表布设2条地表移动观测线：一条走向观测线和半条倾斜观测线。6204工作面地表移动观测站布置图见图1。走向观测线长约630m，共布设33个测点，工作测点编号为A01，A02，…，A33；倾向观测线长约400m，共布设17个测点，工作测点编号为B01，B02，…，B17；各工作测点间距一般为20m。整个观测过程累计进行了26次水准测量，11次全面观测。平面坐标测量采用全站仪来完成，高程采用水准仪进行了观测。

图1 6204工作面地表移动观测站布置

2 地表移动和变形分布规律

2.1 地表移动和破坏的形式分析

6204工作面采深采厚比为21～32，平均为28，6204工作面地表移动的表现形式可能为地表移动盆地和地表裂缝。现场地表沉陷实测证实：地表移动的主要表现形式为地表移动盆地，同时发育有地表裂缝。地表裂缝多为台阶裂缝，最大落差约400mm，裂缝最大宽约120mm，发育深度大于5m，发育位置主要集中在工作面中部靠近6204主辅运巷道，整体构成椭圆形，并未出现6204工作面上覆岩土体整体切落现象。

2.2 地表移动和变形静态分布规律

6204工作面地表静态移动和变形主要分布规律如下：

(1)6204工作面地表静态移动和变形总体上是连续渐变的，该过程符合煤矿开采沉陷的一般规律。

(2)6204工作面上方地表移动和变形主要集中在采空区上方地表，采空区两侧边界正上方至地表移动盆地边界移动和变形值迅速减小，且地表移动和变形值较小。

(3)地表下沉曲线走向方向宽面和窄面侧不对称，在宽面终采线侧要比在窄面开切眼侧陡。窄面最大下沉位置(A17点，最大下沉值为1066mm)不是在窄面采空区中央之正上方，而是位于窄面与宽面分界处；宽面最大下沉位置(A21点，最大下沉值为1990mm)不是发生在宽面采空区中央之正上方，而是偏离宽面采空区中央向窄面侧约32m处。

(4)根据地表移动观测站实测资料，6204工作面开采后地表最大下沉值为1990mm，最大倾斜为-21.4mm/m，最大水平移动649mm，最大水平变形11.9mm/m。

2.3 地表移动和变形动态分布规律

6204工作面地表动态移动和变形主要分布规律如下：

(1)6204工作面推进过程中，地表移动和变形总体上是连续渐变的，但在地表下沉某个过程存在突变现象，下沉增加很快。

(2)6204工作面推进过程中，工作面上方地表移动和变形主要集中在采空区上方地表，采空区两侧边界正上方至地表移动盆地边界移动和变形值迅速减小，且地表移动和变形值较小。就地表下沉而言，窄面采空区边界正上方地表下沉量由最大下沉1066mm迅速减小到下沉量约24mm，约占窄面最大下沉量的2.3%；宽面采空区边界正上方地表下沉量由最大下沉1990mm迅速减小到下沉量约30mm，宽面采空区侧下沉量约占窄面最大下沉量的1.5%。

3 地表移动参数确定

地表移动参数是用来反映地表移动与变形特征、程度的参数和角值。主要包括地表移动角量参数、地表移动动态参数和地表移动预测参数等，具体包括地表移动边界角、移动角、裂缝角、最大下沉角、超前影响角、地表移动的延续时间及下沉系数等参数。

3.1 地表移动角量参数求解

在求取各种地表移动角量参数时，考虑到地表黄土层厚度较大，所求得的各地表移动角量参数均为综合移动角量参数。

3.1.1 综合边界角求解

边界角δ0是描述地表移动盆地受影响范围的参数。走向窄面观测线上下沉10mm的点为A09，求得开切眼A侧边界角为76°。走向宽面观测线上下沉10mm的点位于A29与A30之间，求得终采线侧边界角为69°。倾斜观测线上由于上山方向受相邻工作面开采影响，故无法求得边界角，而下山方向下沉10mm的点为B10点，求得下山一侧边界角β0=84°。

3.1.2 综合移动角求解

移动角是描述地表盆地出现危险移动边界的参数。走向窄面观测线上：倾斜3mm/m、曲率0.2×10-3/m、水平变形2mm/m等3个临界变形值点，均位于开切眼A侧内部，即偏向采空区上方地表而非偏向煤柱一侧上方地表，根据“三下”采煤规范移动角的求解方法[4-5]，无法求得开切眼A侧移动角。走向宽面观测线上：曲率0.2×10-3/m的临界变形点距离采空区边界最远，最外点位于A25与A26间，约位于终采线边界正上方，据此求得终采线侧走向综合移动角δ=90°。倾斜观测线上：曲率0.2×10-3/m的临界变形点距离6204主运最远，最外点位于B10与B11间，位于6204主运正上方，据此求得的下山移动角β=90°。

3.1.3 综合裂缝角求解

裂缝角是描述地表盆地出现裂缝最外边界的参数。根据实测的6204工作面地表裂缝分布图，地表裂缝几乎全部位于6204工作面开采边界内部上方地表，而非偏向煤柱外侧上方地表，根据“三下”采煤规范裂缝角的求解方法，无法求得6204工作面开采条件下的裂缝角或裂缝角接近或大于90°。

3.1.4 最大下沉角求解

最大下沉角是反映地表最大下沉点位置的角量参数。6204观测站倾斜观测线上地表最大下沉值为1072mm，最大下沉点号为B15点，B15点位于采空区中点的正上方，求得最大下沉角θ=90°。

求取地表移动各角量参数时，要求工作面达到充分开采状态，此次利用拟合得到的概率积分法计算参数，对充分采动条件下的地表移动和变形进行计算，求得的边界角和移动角为：

边界角δ0= 73°；移动角δ=77°。

综合分析所取得的各种角量参数，其值比充分采动条件下要大得多，有的甚至接近90°，表明在浅埋综放非充分采动条件下，地表移动盆地尤其是危险移动盆地的范围有所减小。

3.2 地表移动动态参数求解

3.2.1 地表移动起动距

6204工作面窄面部分累进约86m时，观测线上各点都产生不同程度地下沉，最大下沉为11mm，点号为A13，从上述现象可判断，6204工作面开采地表移动起动距为86m，约0.47H0(H0为工作面平均采深)。一般在初次采动时，起动距约为(1/4～1/2)H0，可见6204工作面窄面部分由于开采尺寸小而导致开采起动距很大。

3.2.2 超前影响角

超前影响角ω是在地表达充分采动或接近充分采动条件下求得的。由于本观测站为非充分采动条件，据此条件求得的参数可能偏大。根据观测结果，工作面累计推进约269m，地表最大下沉为1362mm，下沉10mm的点为A27点，与开采工作面的距离为41m，计算得超前影响角ω=77°。

3.2.3 最大下沉速度角

最大下沉速度角φ是在地表已达到充分采动或接近充分采动条件下求得的。由于本观测站为非充分采动条件，据此条件求得的参数可能偏大。根据观测结果最大下沉速度点为A20，最大下沉速度为112.2mm/d，最大下沉速度点距离开采工作面距离约79m，计算得φ=67°。

3.2.4 地表下沉速度及地表移动的延续时间

根据观测结果，地表最大下沉点为宽面走向线上的A21点，A21点下沉速度、下沉量及工作面推进距离与地表移动的延续时间关系曲线见图2。

图2 A21点下沉量、下沉速度、工作面推进距离与 地表移动及延续时间关系曲线

从地表最大下沉点A21下沉速度及地表移动曲线图2可知：

(1) 在A21号点整个移动过程中，点的下沉速度是有规律地变化的，开始很慢，快速增大，达到最大值，然后较快变小。点的下沉速度的变化呈现时间和空间上的连续、渐变。

(2)地表移动初始期非常短，仅5d左右，地表移动快速进入活跃期，天数约为90d，活跃期较短，且最大下沉速度为98.2mm/d，平均下沉速度为28.1mm/d，地表移动剧烈，主要时间集中在工作面开采期间。

(3)地表下沉主要集中在地表移动的活跃期，下沉量占全部下沉量的94%。

3.3 地表沉陷静态计算模型及参数分析

对于地表移动和变形的计算，国内外专家提出了多种方法[4-8]。目前，我国比较常用的地表移动变形计算方法有概率积分法、负指数函数法、威布尔函数法和典型曲线法等[9-10]，从各矿区使用的广泛性、实用性和方便性来看，概率积分法具有参数容易确定、实用性强等优点，是各矿区最常用的方法，因此，可用概率积分法来描述6204工作面地表移动稳定后地表移动变形规律。

根据地表移动观测站的实测资料，采用曲线拟合法，进行了求参计算，经过反复计算，求出了利用概率积分法进行预计时所需的主要参数，拟合结果如下：下沉系数q=0.78；水平移动系数b=0.3；主要影响角正切tanβ=2.2；开采影响传播角θ0=90°-0.68α(α为煤层倾角)；拐点偏距S=0.2H0。

4 结 论

通过在浅埋综放开采条件下6204工作面布置地表移动观测站得出主要地表沉陷特点：

(1)浅埋综放开采条件下地表沉陷规律总体符合一般沉陷规律，但地表移动变形主要集中在采空区上方，且伴随永久裂缝。地表移动盆地尤其是危险移动盆地的范围有所减小。

(2)工作面推进过程中，地表移动和变形总体上是连续渐变的，但在地表下沉某个过程存在突变现象，下沉增加很快。

(3)地表移动活跃期下沉量集中，占全部下沉量的94%。

[参考文献]

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