布尔台矿采空区下开采的地表移动规律初探

2018-05-11郭瑞瑞

采矿与岩层控制工程学报 2018年2期

郭瑞瑞

(神东煤炭集团有限责任公司布尔台煤矿，内蒙古鄂尔多斯 017209)

厚煤层综放开采已成为神东现代化高产高效集约化矿井的主流采煤方法，但对浅埋厚煤层采用综放开采技术进行开采特别是在采空区下的下组煤开采地表变形移动更复杂[1-2]，造成的覆岩破坏和地表沉降变形剧烈，环境破坏尤为严重[3-4]。针对浅埋开采沉陷问题，许多学者在现场实测和原有开采沉陷理论的基础上，综合运用概率积分法、线性回归法以及数值模拟等手段进行了大量研究，得出了针对某一煤矿的预测地表沉陷最大下沉值的经验式或者塌陷区的塌陷指数[5-7]。但以往的开采沉陷理论、原有的覆岩破坏、地表沉陷规律和有关预测参数已不能满足浅埋采空区下厚煤层综放开采安全生产的需要，而且针对采空区下下组煤开采引起的地表沉陷规律的相关研究也尚不多见。

本文以神东煤炭公司布尔台矿42105工作面为例，主要采用现场实测和理论计算分析等方法，研究浅埋采空区下厚煤层开采对地表沉降的影响规律，求得相应地表移动参数，掌握矿井下组煤开采的地表移动变形规律，为神东矿区下组煤开采时制定岩层控制技术提供决策依据和支持。

1 工作面概况及地面观测站布点

1.1 工作面概况

42105工作面位于42煤层一盘区，42104工作面(已采)西南，42106工作面(未采)东北；煤层倾角1°～9°，平均5°，走向长度5231m，倾向长度230m，煤层平均采深420m。工作面煤层煤厚5.9～7.3m，平均6.7m，采用综合机械化放顶采煤，割煤高度为3.7m，放顶煤厚度为3m，采放比为 1∶0.81。工作面基本顶以细粒砂岩为主，直接顶为砂质泥岩，直接底主要为砂质泥岩。

42105工作面与上覆22煤层间距为43～73m，22煤采厚3.4m，采用后退式综合机械化全部垮落法开采，已于3年前开采完毕。工作面间隔煤柱宽度为25m，上覆岩层垮落充分，地表达到稳定状态。42105工作面巷道布置及与 2号煤层工作面相对位置关系如图1所示。

1.2 地面观测站布点

图1 42105工作面巷道布置与2号煤层采空区相对位置关系

为取得42105工作面的地表移动参数，在结合工作面地表的地形地貌特点和可能沉陷特征的基础上，对现场进行详细踏勘和综合对比分析，设计合理的42105工作面地面沉陷布置观测点，如图2所示，共设计2条地表移动观测线，分别为A线和B线。其中A线位于42105工作面中部，主要观测移动盆地走向主轴线上的沉降，包括47个观测点(A1，A2，……，A47)和2个控制点(S1,S2)，测线实际长度995.37m；B线垂直于A线呈T字形布置，主要观测移动盆地倾向主轴线的变形，包括27个观测点(B1，B2，……，B27)和2个控制点(R1,R2)，观测实际长度868.147m。

图2 42105工作面观测站布点平面示意

2 观测方法及结果分析

2.1 观测数据方法与预处理

由于是观测采空区下工作面开采的实际情况，充分估计可能发生的测点损坏和地表移动可能性，确定如下观测方法与数据处理原则：

(1)42105工作面于5月30日开始试采，每天进尺在10～20m，平均为12.8m，因此要求观测频率不能太低，确定观测时间为对采面上部100m范围内测点每天观测1次，100m之外测点2d观测1次。

(2)对观测过程中测得的测点数据进行预处理，发现偏移量异常的要及时分析原因予以纠正，如不能纠正的应舍弃此测点数据。

2.2 基于测线观测结果的运移规律分析

依据42105工作面开采过程的观测数据绘制观测线A和B的部分测点的地表沉降曲线如图3和图4所示。图3中横坐标0点位置为S1点，方向为沿综放工作面走向方向；图4中横坐标0点位置为R1点，方向为沿综放工作面倾向方向。

图3 A线地表沉降曲线

图4 B线下沉曲线

从图3和图4中看出，采空区下工作面开采形成的地表移动沉降区域的剖面形状类似一个盘形，呈现出地表超充分采动盆地特点。由于本工作面位于22煤层采空区下，下沉特点与单一煤层开采有如下不同：

(1)地表开始下沉阶段，地表沉降启动早，下沉启动时间为6月5号，下沉启动距离为工作面推进80.4m，启动点为A18点。

(2)地表沉降开始后，地表下沉速度快，以A22点为例，其下沉的最大速度为6月16日至17日的521mm/d。

(3)以最大沉降量的90%为初步稳定计算，地表初步稳定的时间短。以A22点为例，测点从6月8日启动到达到初步稳定时间7月4日为26d。

2.2.1 A线测量观测总结

从图3中还可以看出，最先达到初步稳定的点为A22点，之前的点受到开采边界的影响下沉量相对较小，其后的点均可达到充分沉降，截止8月28日，最大下沉点向前推移至A29点，最大下沉量为2.74m，随着开采继续，最大下沉区域逐渐扩大，继续向工作面推进方向移动。

根据监测数据绘制推进方向水平移动曲线图如图5所示。各个测点水平位移从开切眼外向内部逐渐增加，最大水平移动点位于A20点，最大水平位移量为822mm，说明在地表沉降过程中测点不但发生垂直方向位移，而且也发生水平位移，水平位移最大点处于接近充分沉陷的开始点A22位置之外。

图5 A线水平移动变形曲线

2.2.2 B线测量总结

从图4可知，B线测点的启动时间为7月7日，启动位置为B20测点，这是由于其位于上一区段的采空区内，在本区段开采后受到采动影响发生二次稳定，随着开采位置接近并推过B线，本区段内测点下沉量逐渐增加，最大下沉点位于工作面中部与A线交点位置附近，截至8月28日，下沉量为2.65m，沉降最大值已到最大下沉值附近。总体来看，地表沉降量在倾向方向由工作面中间向平巷方向逐渐减小，其中靠近42104区段下沉量较大，呈非对称盘状分布。

2.3 地表沉降参数求取

2.3.1 沉降边界角

沉降边界角表征移动盆地大小，沉降边界角越大说明开采对采空区外的影响越小。一般取下沉10mm的点作为移动盆地的边界求得边界角，走向和倾向观测的计算边界角见表1。

表1 边界角计算汇总

2.3.2 超前影响角

由于42105工作面A观测线设置了 A1 —A47共计47个观测点，当7月1日工作面推进到388m时，地表沉陷的边界处于A47点。选择典型的测点：

(1)6月20日，A41点，边界处于500m，工作面251m附近，超前249m。

(2)6月24日，A44点，边界处于560m，工作面 295m附近，超前265m。

(3)6月27日，A45点附近，边界处于570m附近，工作面在327m，超前233m。

故超前影响角：

(4)最大下沉速度滞后角

最大下沉速度滞后距反映出煤炭开采对地表下沉影响最为剧烈的位置，一般滞后工作面后方一定范围内。根据观测到的下沉数据，求取相应下沉速度，选取关键时间点，绘制计算表格2，计算最大下沉速度滞后角为Φ=76°。

2.3.3 地表沉陷模型参数

根据矿区已有综放开采地表移动规律分析方法，结合该工作面开采后地表移动观测线 (A线和B线)的观测结果，选用概率积分法模型作为该区地质采矿条件下的地下开采地表沉陷模型。A线、B线和工作面综合拟合确定的概率积分法模型参数如下：

(1)下沉系数从测点下沉曲线中可以找出，走向线最大下沉点为A29点，下沉值为2.74m，采厚为6.7m，倾角平均4.5°。计算得下沉系数为：

(2)主要影响半径首先找到下沉量为0.5ωmax=1370mm处，位于A19和A20之间，差值法计算距离A19点3m处。根据最大下沉值为2740mm，计算得到0.16ωmax=438.4mm，该下沉点介于A15和A16之间，经差值计算为距离A16点4m处，投影后求得 0.4r1=67.5m，r1=168.75m。

同样方法求得下沉量为0.84ωmax=2301.6mm 处位于A21和A22之间，插值计算得到距离A21点4.23m，继而求得 0.4r2=41.3m，故r2=103.25m。

即影响半径r=(r1+r2)/2=136m。