济宁三号煤矿重复采动条件下的矿区地表沉陷规律研究

贺 天 张自发 张广学

（1.山东科技大学 测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590；2.鄂尔多斯市营盘壕煤炭有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

地下开采引发的地表和岩层的移动具有复杂性和多样性[1]，单一煤层开采情况下的研究已经日趋成熟，而煤矿的重复采动会对地下岩层多次扰动，使得重复开采下的地表沉陷情况更加复杂难以预测，所以研究矿区重复开采下的沉陷规律也是很有必要的。本文针对济宁三号煤矿某采区3下工作面展开研究，研究区3下工作面地表覆盖为农场，设计的3下工作面推进长度为1751.8m，宽度为300m，煤层底板标高为-738.6～ -783.9m，平均标高为-761.3m；煤层的平均厚度为3.5m，煤层平均倾角为4°。整体的煤层厚度呈现出西厚东薄，工作面均沿着3下煤层的走向方向布置，采煤方法为综采放顶煤，顶板管理方法为全部垮落法，工作面回采会导致采空区顶板脱落，在内部形成冒落带、裂隙带和弯曲带从而造成地表形变。重复采动对矿区地表的破坏及影响程度都较初次采动更大。因此，研究该地区重复采动条件下的地表沉陷情况，为矿区修复治理和“三下采煤”的未来管理提供准确的技术参数，以保护煤柱，并取得更好的指导作用，具有重要意义。

1 观测站设计

研究工作面上方地表覆盖情况为农田，建筑物数量较少，结合实际情况，本次观测点位采用沿断面布设的方法。在工作面上方布设一条走向线a和两条倾向线b和c，其中两条倾向线b与c平行，走向线a与b、c两条倾向线都互相垂直。济宁三号煤矿矿区煤系的地层上覆岩性为中硬偏软，根据之前的地表沉降观测报告，并参照相关规程，可以确定走向移动角等各个参数如表1所示。

表1 参考参数

根据《煤矿测量规程》，工作面上方观测点位的密度情况应如表2所示。

表2 观测点密度

走向线布设观测点36个，约900m。沿倾向布设两条观测线，共设测点60个，倾向线b布设观测点33个，约980m，倾向线c布设观测点27个，约900m。后因修路，从第四期之后整条观测线c被埋。

2 研究区实测分析

2.1 下沉规律分析

3下工作面重复采动的深度为781m。当由于开采而引起地表形变时的回采工作面推进距离约为197～395m。初次进行地表形变观测时的推进距离为133m，因此从第2期观测数据开始研究分析。走向线a第二期到第九期的观测数据如图1所示，可以看出，地表最大沉陷值随着工作面采动的推进进度往前移，而靠近开切眼处时，沉陷值逐渐变小，曲线也大体关于峰值对称，且无明显异常的点。结合表3可以看出最大沉陷点位于推进距离后方300m左右，而第五期数据采集时的推进距离来到了1050m处，其对应的最大下沉峰值点应位于750m处左右，但实际最大下沉峰值点在605m处。分析认为，发生该情况的原因是回采的推进速度过快，上覆岩层在500m到700m处为整体沉陷趋势。

图1图2分别为走向线a与倾向线b方向的地表沉陷图，可以看出从第2期到第5期的各点位的沉陷值较其他观测期大，故此阶段为地表快速沉陷期，而第6期开始各点位的沉陷值均明显变小，地表沉陷速度减缓并逐渐稳定，此阶段为地表沉陷衰退期。由于走向线观测范围只到接近700m处，到第4期观测时已经超出这个范围推进到712m处，而此时从切眼至200m处沉陷量依然较大，分析认为回采的推进速度快于上覆岩层的沉陷速度是造成这种现象的主要原因，从而导致了地表整体下沉的滞后。

图1 重复采动走向线地表沉陷图

表3 重复开采进度表

图2 重复采动倾向线地表沉陷图

在第2期观测时，研究工作面较上期回采推进了330m，超过倾向线b约130m，距离倾向线c约200m，倾向线b进入快速沉陷期，整条线都在迅速下沉，与此同时倾向线c只在中线两侧600m左右范围内下沉。第2期到第3期回采仅推进了25m，倾向线b上的最大沉陷值约为350mm，倾向线c上的最大沉陷值约为150mm，两条倾向线的沉陷趋势差别较大。分析原因得出，倾向线b位于推进面的后方，上覆岩层形变方向主要是垂直方向，倾向线c位于推进面的前方，上覆岩层形变方向主要是拉伸引起的侧向变化。第4期观测时，由于修路的原因，倾向线c布设的点位几乎全部被毁，而倾向线b在第4期之后沉陷趋于缓慢，此时工作面回采推进刚刚越过倾向线c，此时倾向线c应进入了快速下沉期。

分析数据得出倾向线的最大沉陷处偏向上山方向而不是在中间区域，走向线上的最大沉陷值为1114.5mm，倾向线上的最大沉陷值为1120.1mm。

2.2 地表移动变形的参数确定

结合实际测量成果，根据解算地表移动变形参数的相关公式，得出3下工作面的地表移动角量参数、下沉系数、水平移动系数、超前影响角、主要影响半径和主要影响角正切如表4所示。

表4 实测地表移动变形参数

2.3 上层采动情况

研究区3上工作面在2013年5月回采结束。在3上工作面的采动期间，上方地表沉降逐渐增加，形成一个下沉的盆地。在这个过程中，附近其他工作面的采动也影响了该区域的地表形变。3上工作面最后一次地表观测时最大沉陷值为216.1mm，由于最大沉陷点处常遭车辆碾压故不予考虑，其余观测点位中，z23沉陷值最大，为212.7mm，故认为此点处为地表最大沉陷点。3上工作面的走向和倾向方向下沉剖面图如图3和图4所示，坐标纵轴均为下沉。图3横轴表示沿南北方向观测线到z0观测点的距离，图4横轴表示沿东西向观测线到b0观测点的距离。

图3 走向方向下沉剖面图

图4 倾向方向下沉剖面图

3 研究区重复采动规律分析

3.1 两层高程异常分析

由于3上、3下工作面属于上下层关系，所以两次分别对应的观测点位有部分重合。但在通过比对3上最后一期高程数据与3下第一期高程数据发现，二者相差较大，存在高程异常。统计3上及3下工作面对应的公共点位高程异常情况如表5所示。

表5 两个工作面公共监测点高程异常

由上表可总结得出，两次数据最大差值为458mm，最小差值为357mm。在观测期间，3上工作面的最大沉陷值为212.7mm，这有力地说明后期其他相邻工作面的回采严重影响了该工作面上方地表沉陷量，该值约是前期下沉量的两倍。

3.2 老采空区对重复采动的影响分析

在对3上工作面进行开采时，由于上部及周围岩体经历多次扰动及破坏，活化程度较高，所以岩体的岩性大大降低；在对3下工作面进行开采时，由于地面下沉速度较3上工作面开采快，致使启动距离缩短，下沉启动阶段和活跃阶段时长较短，在工作面推进一段距离后，下沉值便很快接近最大值，沉陷速度迅速降低直至不再下沉。例如，自地面开始发生沉陷时，倾向线b沉陷速度逐渐增大，当回采推进越过b线约50m时下沉速度达到最大约为10mm/d，随着工作面回采往前继续推进，下沉速度逐渐降到6.2mm/d，之后再降到4mm/d，沉陷幅度会越来越小。除此以外，研究发现下沉量最大及下沉速度最快的地方不在采面的中心区域，而是在偏向东侧的方向，即上山方向。

据先前资料可得，首采面西侧无其他工作面，且西侧的煤层较薄，西侧上覆岩层较东侧相对厚，覆岩硬度也较大。通过分析认为，西侧的覆岩较东侧更厚是导致下沉曲线西侧平缓东侧陡峭的主要原因，西侧的覆岩较硬是导致下沉曲线的最大沉陷值偏向东侧的主要原因。

4 结 语

本文根据相关数据，研究了济宁三号煤矿重复采动条件下的地表形变情况，进行了九期数据观测，得到了地表沉陷的过程曲线，进而分析了研究工作面采动引起的下沉规律，得出走向线与倾向线上的最大沉陷值与地表移动角量参数、下沉系数、水平移动系数、超前影响角、主要影响半径和主要影响角正切等地表形变参数。最终结合上部首采面的数据，分析该地质条件下重复采动对地表移动的变形规律和老采空区对重复采动规律的影响及出现异常的原因，同时总结涉及的参数变化，从而准确地指导该研究区域和地质相似区域的生产工作和治理工作。