王家塔煤矿首采工作面地表变形规律

张德民 王 瑞

(1.新能矿业有限公司王家塔煤矿；2.江西理工大学应用科学学院)

王家塔煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市境内，隶属鄂尔多斯市伊金霍洛旗纳林陶亥镇管辖，地处东胜区城区以南约9 km处。井田位于东胜煤田东北部，矿井设计年产500万t，核定生产能力为680万t/a。王家塔井田西部有包神铁路，北部有呼准鄂高铁和东铜铁路从井田通过，荣乌(G18)高速公路从井田北部东西向通过，因此研究地表移动规律，合理留设煤柱至关重要[1-3]。本研究通过在该矿首采3101工作面建立地表移动观测站，并以该观测站的实测资料为基础，对该矿在煤层埋藏浅、开采厚度大、推进速度快的开采条件下的岩移规律进行探讨。

1 观测站概况

本研究观测站设置于王家塔煤矿首采3101工作面上方，观测站所处区域为丘陵地区，地形复杂多样[3]，海拔最高1 410 m，最低1 350 m。3101工作面开采煤层为3-1#煤层，该工作面煤层最小厚度为3.60 m，最大厚度为9.20 m，平均厚度为6.32 m。工作面所采煤层上部岩层主要由砂质泥岩和粉砂岩构成，底板主要为砂质泥岩和粉砂岩，局部为细粒砂岩[4]。观测站所在区域煤层平均倾角为2°，近于水平煤层，平均采深220 m。根据XE28钻孔资料，设站地区沟谷主要由风积砂覆盖，第四系松散层厚度为5 m，坡顶有少量残积土，基本无第四系沉积。3101工作面长300 m，走向长2 680 m，回采月推进度平均为200 m，采用走向长壁式采煤法，全部垮落法管理顶板[3]。

2 观测站设计与观测

2.1 设计原则

设立地表移动观测站的目的是为了确定移动变形与地质采矿条件的关系，观测结果的准确性与设站的合理性直接相关。本研究观测站的布设原则为：①观测线布设位置应与地表移动盆地主断面重合；②观测线上的测点密度应根据开采深度和设站目的而定，具体在《建筑物、水体，铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中有所要求；③观测线长度应大于地表移动盆地范围，即观测线应延伸至地表移动盆地之外；④观测期间的设站地区不应受到邻近工作面开采影响；⑤控制点应布设于不受工作面采动影响的地表移动盆地范围外；⑥测点应埋设牢固，使得测站移动与地表移动变形能够同步进行，以便有效反应地表移动状况[5-6]。

2.2 观测站布设方式

3 地表移动规律及岩移参数计算

3.1 地表移动规律

通过对观测站进行监测，走向Ⅰ线、走向Ⅱ线及倾向线的监测数据如表1所示。

表1 实测地表最大移动变形值

在对实测数据整理、校核的基础上，依据《煤矿测量规程》中的相应公式分别计算了走向Ⅰ线、走向Ⅱ线和倾向线不同观测时段各测点和测点间的移动变形[7-10]。分析图1～图3可知：地表移动变形在工作面回采过程时间段内异常活跃，1个月内地表累计下沉值达到2 722 mm，其中地表最大下沉速度达106.1 mm/d；地表最大下沉量位于下沉盆地底部，而采区边界处的下沉量迅速减小，下沉盆地边界收敛慢，呈陡峭姿态，同时采空区上方出现了1条明显的南北走向裂缝[8]。通过现场调查发现，下沉盆地边缘出现了比较固定的裂缝，主要位于工作面开切眼位置两侧，裂缝发育方向和回采煤层倾向保持一致，根据实际调查，裂缝最小宽度为22 mm，最大宽度为55 mm，伴有较明显的阶梯状裂缝带，以工作面开切眼位置地表裂缝最为发育，裂缝最大宽度约为250 mm。工作面推进过程中，推进方向动态拉伸区域中接连出现动态裂缝，呈弧状与回采线保持平行，各条裂缝出现间隔通常为6～10 m，单条裂缝宽度通常为10～30 mm，经历20 d左右的发育成熟期，裂缝逐渐闭合并且消失。

3.2 岩移参数计算

地表移动初始期较短，约46 d，活跃期相对较长，为112 d，其中剧烈活动期(下沉速度大于1.67 mm/d)的持续时间仅为24 d，地表下沉速度较大。3101工作面地表下沉速度为106.1 mm/d，工作面回采地表移动持续总时间约334 d，通过监测数据计算出的开采移动角如表2、表3所示。

4 结 论

(1)根据王家塔煤矿3101工作面的地表实际情况布设了观测站，根据地表岩移监测结果，分别求出了走向Ⅰ线、走向Ⅱ线和倾向线的边界角、移动角、裂缝角。经过综合分析，确定3101工作面边界角为45°～53°，平均为50°；移动角为78°～79°，平均为78°；裂缝角为80°～81°，平均为80°。由于该矿煤层近似水平，为安全考虑，在矿区进行“三下”采煤、留设保安煤柱和确定开采影响塌陷范围时，建议取较小值，即边界角45°，移动角78°，裂缝角80°。

图1 走向Ⅰ线实测移动变形曲线

图2 走向Ⅱ线实测移动变形曲线

图3 倾向线实测移动变形曲线

表2 上山、下山及走向方向的边界角、移动角、裂缝角

表3 王家塔煤矿综放开采动态岩移参数

(2)王家塔煤矿地表移动变形规律可采用概率积分法进行分析。根据地表移动观测站的实际观测资料，采用空间问题求参法，求取了地表移动变形预计参数和边界角、移动角等参数，由于3101工作面正上方地貌主要为侵蚀性丘陵地貌，通过对监测数据进行误差评定及修正，反演出的下沉系数q=0.73、水平移动系数b=0.22、主要影响角正切值tanβ=2.6、拐点偏移距s=0.15H(采深)、开采影响传播系数k=0.65。