麻家梁井田煤层开采对地表变形预测研究

赵楚楚 刘永芳 王晓琴

（同煤浙能麻家梁煤业有限责任公司，山西朔州036000）

同煤集团麻家梁矿井为朔南矿区在建千万吨矿井之一，面积约104.292 4 km2，采用竖井开拓方式，目前主采山西组4号煤层，综放开采方式。矿井投产于2014年，首采一、二采区，开采强度大，对上覆岩层和地表的影响比较大，首采区地表分布有农田、村庄、工业广场、公路等构筑物，由于矿井为朔南井田首个开采大型矿井，附近无相关煤炭开采地表变形监测数据，为分析井田开采后对地表影响程度，确保地表构筑物的安全，合理规划开采布局，根据井田开采技术条件，采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》（《开采规程》）中地表移动变形最大值进行地表变形预测。

1 井田地质概述

区内主要可采煤层为山西组4号煤层和太原组9号煤层，矿井首采区内4号煤层埋藏深度达523 m，区内新生界厚度变化较大，厚度介于145 m～320 m之间。基岩地层岩性主要为砂岩、泥岩、炭质泥岩、铝土岩、煤和石灰岩等组成。井田基本地质构造形态为一单斜构造，构造简单，属一类。

区内4号煤层底板赋存标高在505 m～730 m之间，西南部标高较小，东北部标高较大。煤层埋深与地形有关，总趋势为西南部埋藏深，东北部埋藏浅。4号煤层赋存最浅部位于测区东北部，埋深为470 m左右，最深处在初期采区西南部边缘，埋深为695 m。9号煤层的构造形态与4号煤层一致，其煤层底板赋存标高最大、最小和埋深最深、最浅部位与4号煤层基本相同，见表1。

表1 煤层底板极值及埋深极值

2 采煤方法

采煤方法采用综采放顶煤采煤法，麻家梁井田4号煤层在一、二采区平均厚度分别为9.44 m和7.58 m，采煤机割煤高度均为3.5 m，放顶煤高度分别为5.94 m和4.08 m，采放比分别为1：1.70和1：1.17，全部垮落法管理顶板。

3 地面塌陷、地裂缝预测[1-2]

本次地表变形预测是根据本井田一、二采区地质、煤层赋存条件、采煤方法等开采技术条件，采用《开采规程》中地表移动变形最大值进行地表变形预测。

3.1 地表移动变形最大值的计算

最大下沉值Wcm=m⋅q⋅cosα(mm)；最大倾斜值icm=；最大曲率值；最大水平移动值Ucm=b⋅Wcm(mm)；最大水平变形值εcm=±1.52⋅b

3.2 地表移动变形基本参数（见表2）

表2 开采规程中地表移动变形基本参数

根据矿井地质报告，麻家梁矿井煤层覆岩相当于中硬偏硬岩层。经分析朔南矿区井田地质情况，对比朔南矿区已有的开采沉陷地表移动的基本参数，通过类比确定本次矿井开采地表移动变形基本参数为：

①下沉系数：初采q0=0.56，一次重采q1=0.61，二次重采q2=0.64，三次重采以上q取值为0.68；

②水平移动系数：b=0.3；

③开采影响传播角：θ=90°-0.75α=86.25°，a为煤层倾角，a=5°；

④主要影响角正切：初次tgβ0=1.95，一次重采tgβ1=2.0，二次以上重采tgβ=2.3

⑤拐点偏距：S=0.15H（m）；

⑥主要影响半径：r=H/tgβ；

⑦达到充分采动时的条区尺寸：L=l≥2（r+s）；

根据以上因素，地表移动变形基本参数见表3。

表3 麻家梁矿井地表移动变形基本参数

3.3 地表移动变形预计

本次对5年内回采4#煤层地表移动变形进行预计，4#煤层采后地表移动变形值见表4。

表4 4#煤层采后最大地表变形值

3.4 全井田地表移动变形预计

麻家梁矿井为近水平煤层，按充分采动、冒落式开采、重复采动等条件，根据表3确定的各煤层基本参数，计算了麻家梁矿井全部煤层采完后地表变形最大值见表5。

表5 麻家梁矿井地表移动变形最大预测值

根据地表移动变形值预计结果，区内开采后的最大地表移动值见表6。

表6 区内开采后的最大地表移动值

3.5 地面变形延续时间估算

采用《开采规程》中累积地表下沉10 mm时为移动期的开始时间，在无实测数据可用时，地表移动的延续时间（T）可用下列公式计算：

式中H为工作面平均采深（m）

本次预计适用期井田内开采4号煤层，平均采深510 m，则T=1 275天，即适用期内开采4号煤层引起的地表移动延续时间为1 275天，约为3.5年。

上述地表移动变形时间只是煤层开采后地表常规时间内动变形期。由于采空区完全充填、冒落物的充分压密以及煤柱的变形等因素都影响地表移动，因而地面变形将会延续更长的时间。

4 结语

采用《开采规程》中地表移动变形最大值进行地表变形预测，该方法适用于附近无相关煤炭开采地表变形监测数据或区域内无开采历史可供参考类比的区域，应用大概率事件，通过计算地表变形最大值做为矿井建设依据，相对比较合理实际，缺点是应用范围局限性较大，由于文中公式计算基于经验实测资料确定，缺乏对本地区的针对性，无法确定不同点位、不同地质条件、不同开采技术条件下等因素造成的地表变形差异。

采煤结束后地表变形的准确预计需要有详实的地面变形预计参数，为了保证矿井在随后的开采过程中更好地掌握煤层开采对地表变形的影响程度，为矿井合理布局提供可靠的基础信息，后续可通过开展地表实地变形监测，获取地表变形的实际数据，分析矿区开采造成地表变形的规律，获得准确可靠的地表移动变形参数。为矿井开采设计、煤柱留设，以及地表建（构）筑物设防保护提供可靠的依据；同时也为矿区生态环境的恢复治理、制订复垦规划和选择经济合理的复垦技术方法，提供原始技术资料。

根据本次预测结果，便于矿山企业合理规划开采设计和制定合理的矿山地质环境恢复治理方案，通过留设煤柱或按国家相关规范实施“三下采煤”，避免了地面塌陷对建筑物的严重破坏，保护了建筑物安全和人身安全，避免了巨大的经济赔偿损失。