大采高综采工作面地表沉降变形规律模拟研究及观测站的建立

雒崇华

(山西焦煤霍州煤电吕临能化有限公司, 山西 吕梁 033200)

1 前言

某矿4418工作面位于-600m水平,前组四采区四层煤第二亚阶段。东临F12断层;西临4418工作面采空区;南临4417工作面采空区;北临4419工作面采空区,上覆4218工作面已开采结束。该工作面走向长为900m,倾斜宽为137m,工作面标高为-500～-550m。

本工作面设计开采煤层为四层煤，煤层稳定,结构简单,变异系数为7.7%,可采指数为1,煤层厚度为3.02～8.52m，平均煤厚为5.4m。通过地质资料分析和工作面掘进揭露巷道证实，该工作面范围内，煤层结构简单，煤层稳定。工作面直接顶为泥岩，厚12.7m，基本顶砾岩，厚24.8m。直接底为砂质泥岩，厚度1.5m，基本底为中粒砂岩，厚度0.9m。该工作面采用一次采全高大采高综采工艺。该工作面地质构造简单，工作面共揭露一条断层,对回采影响不大。煤层走向155°，倾向65°，倾角22°。

该工作面瓦斯涌出量为0.6m3/min，瓦斯等级为低级，发火期2～3个月，煤尘具有爆炸危险，爆炸指数为39.28%。

该工作面对应地表附近有村落，通过数值模拟研究该工作面回采过程中对地面沉降的影响，采取适当措施，保护地面建筑物的安全。

2 地表沉降模拟研究

2.1 地表沉降模型

采用UDEC模拟软件，依据工作面的地质条件，建立数值模拟模型，模拟工作面上覆岩层的移动情况。图1所示为采用UDEC建立的数值模拟模型，模型高为540m，宽为800m，同时模型左、右各留100m，开采长度为600m。该工作面采高为5.4m，该数值模型采高为5m，每次开采5m，为了观测采动过程中地表的变形规律，在模型中设置了5条观测线，观测工作面开采过程中岩层的移动情况，观测线具体设置在煤层上方2m、20m、120m、140m、地表表层，测线布置如图2所示。

图1 UDEC数值模拟模型图

图2 测线布置示意图

2.2 地表沉降数值模拟分析

随着数值模拟的运行，通过导出数值模拟中测线的数据，对测线6的数据变化进行分析，测线的变化曲线如图3所示。从图中可以看出，当工作面开始回采时，地表岩层没有发生沉降。随着工作面的不断推进，岩层移动逐渐波及至地表，地表开始出现沉降[1]。工作面开采长度越大，地表沉陷范围越大、下沉量越大。当工作面推进至400m时，地表沉降趋于稳定，下次量约为2.5m，且工作面中部对应的地表沉降最大。

图3 测线6的变化曲线

3 建立地表观测站

矿区地表移动观测站可以不同时间定期、重复的观测地表的变化情况，因此为了更好观测该矿井工作面地表的沉降情况，在地表建立移动观测站。现在从以下几个方面建立地表移动观测站。

3.1 观测站控制点与测点埋设

地表移动观测站的控制点标石采用钢筋混凝土预置标桩或现场混凝土浇筑标桩，其规格应参照《煤矿测量规程》等相关要求制作(可使用一层标石)。标桩的底部埋深要低于冻土层2.5m，标桩要牢固，以使其可以和地表一起移动。

测点在观测现场埋设，应在标定的位置上挖一个直径0.2～0.3m，深度不小于0.6m的坑，用混凝土灌筑，中间用16～20mm的铁杆作标志，作为测点标志的中心。测点埋设应在冻土层以下0.5m左右，同时测点周围填紧土石，以防止测点受冻土影响[2]。

3.2 观测站所需仪器与方法

1) 所需仪器

移动观测站里需要全站仪，测角精度2″,与矿区控制网连测全面测量。水准仪进行巡视测量和水准测量。GPS与矿区控制网连测全面测量。

2) 测量方案

在观测点埋好10～15天，点位固结之后，进行观测。观测工作包括下列内容：

(1)连接测量。根据矿区地面控制网和观测站位置及其地形情况，用插点法测定观测线交点或一个控制点的平面坐标和高程，其他控制点的平面坐标可按四等导线测角方法所测得角度和观测线边长丈量的结果。

如采用GPS进行观测，用不少于三台GPS接收机进行静态测量，按照规程规定的C级网精度标准进行施测。

(2)全面观测。在与矿区控制网连测后、地表开始移动之前，应对地表观测站的全部测点独立进行两次全面观测，观测间隔时间不超过5天。同一地点的两次测量高程差小于10mm、长度差小于4mm时，取平均值做为观测数据，并绘到观测站设计平面图上。

当地表沉降趋于稳定时，再进行一次全面测量。连续半年以上，地表各点的累积下沉量小于30mm，可以认定地表下沉稳定。

4 结论

对该工作面地表沉降规律进行模拟，该工作面中部对应地表下沉量最大，下沉降为2.5m，水平移动影响范围要略大于工作面回采的长度。同时介绍了该矿井地表移动观测站的建立方案。