麦捷煤业15号煤层开采地表沉陷规律实测研究

王 维

(潞安集团 潞阳麦捷煤业有限公司，山西 晋中 045400)

1 工程概况

麦捷煤业公司开采的15号煤为全井田可采的较稳定煤层。根据DS1、DS2和D173钻孔提供的数据，现阶段正在回采的150502工作面，煤厚为6.0～6.6 m，平均6.3 m，煤层倾角0～10°，煤层赋存稳定，煤体容重1.45 t/m3，含一层夹矸约0.4 m，局部地段含两层夹矸(0.2 m、0.2 m)，夹矸为砂质泥岩或泥岩，顶板为石灰岩、砂质泥岩，底板为砂质泥岩、泥岩。工作面地面标高为+1 163～+1 183.5 m，工作面标高为962～1 024.7 m，埋藏深度为107～235 m，可采长度728 m(以轨道联络巷交叉口为起点)，倾斜长度205 m，面积149 240 m2，采用综采放顶煤开采，工作面布置如图1所示。150502工作面南部为实体煤，北部为150501工作面采空区，东邻实体煤(矿界)，西邻15号南回风大巷，采用U形通风方式。15号煤层150501首采工作面回采后造成地表有塌陷，为了获取15号煤层开采引起的地表沉陷规律，需进行地表位移观测，而150502工作面位于井田中部，方山脚下荒山沟谷内，地面无建筑物与水体，非常有利于地表移动观测站的布置，因此决定在150502工作面开展地表位移监测，以获取15号煤层开采上覆岩层的岩移规律和相关参数。

图1 150502工作面平面布置

2 150502工作面覆岩运动规律钻孔原位探测研究

为了解150502工作面回采时，其上覆岩层的运动规律及地面沉降的机理，在工作面端部的DS1钻孔内进行原位探测实验[1]。根据钱鸣高院士的工作面上覆岩层关键层理论，煤层顶板内存在一层或多层对于上覆岩层运移规律起控制性作用的岩层，首先需要对关键层进行识别，根据150502工作面DS1钻孔得到的岩层柱状图，采用关键层判别软件对关键层进行辩别[2-3]，结果表明，150502工作面埋深为150 m，顶板内存在三个关键层，主关键层：埋深35 m，厚度8.96 m的粉砂岩；亚关键层2：埋深65 m，厚度24.3 m的中砂岩；亚关键层1：埋深138 m，厚度为12.69的粗砂岩。在DS1钻孔内共布置4个位移探测点，测点布置见图2。由于亚关键层1处围岩破碎严重，测点安装困难，将测点1布置在距离亚关键层13 m处，一定程度上代表亚关键层1的运动。

图2 岩移内部测点布置

150502工作面回采期间，实时记录DS1钻孔超前工作面150 m和滞后工作面180 m过程中，顶板岩层的运移规律。DS1钻孔位于采煤工作面前方时，顶板岩层不发生任何垂直位移，因此仅将DS1钻孔位于工作面后方20～180 m范围内的岩移数据给出，位移计记录的为顶板岩层和地表的相对位移，根据地表的沉陷值进行修正后，得到各测点处岩层的绝对下沉量变化规律如图3所示。

图3 工作面回采过程中覆岩绝对位移量变化规律

由图3可以看出，工作面推过DS1钻孔30 m范围内，上覆岩层的下沉基本同步，当超过30 m时，测点1和测点2处岩层的下沉量剧增至1 200 mm，由此可知，此时亚关键层1发生断裂下沉，且上覆岩层基本上同步下沉；当工作面推过DS1钻孔60 m时，测点3处岩层下沉速度加快，表明此时亚关键层2断裂，尽管此时亚关键层1已断裂，然而亚关键层1处的下沉速度仍较大，由此可知，亚关键层2下方可能会存在较大的离层空间；测点4的下沉量变化基本与地面同步，亚关键层2、主关键层和地表发生同步下沉。综上分析可知，亚关键层1控制着亚关键层2和1之间岩层的运移规律，亚关键层2下部至少存在1 500 mm的离层空间，亚关键层2控制着亚关键层2和主关键层及地面间岩层的运移规律，主关键层下部至少存在300 mm的离层空间，监测结果很好地验证了覆岩关键层对上覆岩层的控制作用。

3 150502工作面地表沉陷规律实测

为具体掌握150502工作面回采引起的地表沉陷规律，与DS1钻孔监测的数据进行对比分析，在150502工作面对应地面布置地表下沉测线，进行地表下沉实时观测研究[4]。沿150502工作面长度方向和推进方向各布置一条测线，分别为A测线和B测线，工作面长度方向的A测线共布置22个测点，测线与工作面推进方向垂直，并且经过DS1钻孔(监测钻孔位置地表的下沉量)，测点间距30 m，测线总长630 m。工作面推进方向的B测线，位于150502工作面中部，且沿DS1钻孔两侧对称布置，共布置9个测点，测点间距30 m，测线长240 m。

测线B的中间位置与DS1钻孔在工作面长度方向上位于同一直线，因此地面沉陷观测时，以工作面推过钻孔的距离为标准，表示工作面与测线B相对位置。整理后得到150502工作面走向动态下沉结果。第一次进行数据测量统计时，工作面已经回采过B6～B9，故首次统计时这些测点已有不同程度的下沉，工作面推过钻孔32.89～45.09 m范围内时，地表下沉值增长速度缓慢，对应于上文的研究结果，表明此时顶板岩层内亚关键层1断裂，而亚关键层2未断裂，下方逐渐产生离层，工作面推过钻孔达到58.99 m时，地表下沉量开始快速增大，表明此时亚关键层2发生断裂，而工作面推过钻孔90.99～103.49 m处主关键层的断裂，对于地表下沉速度的影响并不显著。观测至工作面停采两个月后，测点B9处地表下沉值达到1 200 mm，B8处下沉约3 000 mm，其余测点地表下沉量均在3 500 mm左右，B5处下沉量达到3 660 mm，150502工作面煤层均厚6.3 m，可得地表沉陷的最大系数为0.58。根据地表下沉曲线计算可得，150502工作面超前影响距离平均为53.4 m，工作面埋深150 m，平均超前影响角为69.2°。

整体而言，150502工作面回采引起的地面下沉主要集中在工作面正上方的地面，地面下沉值最大的区域位于工作面中部偏采空区侧(测点A11处)，工作面与测线A距离在45.09 m之内时，地表下沉值小于500 mm，工作面与钻孔距离达到58.99 m时，顶板岩层内的亚关键层2断裂后，地面下沉值快速增大，由此可知，麦捷煤业15号煤层开采时，距离埋深65 m的亚关键层2对地面的下沉起控制作用。

4 结 语

根据麦捷煤业150502工作面具体的地质条件，通过理论分析、现场监测等方法研究表明，150502工作面顶板存在3层关键层，分别为主关键层：埋深35 m，厚度8.96 m的粉砂岩；亚关键层2：埋深65 m，厚度24.3 m的中砂岩；亚关键层1：埋深138 m，厚度为12.69的粗砂岩；其中亚关键层2对地表的下沉起控制性作用。地表沉陷实测结果表明，150502工作面回采引起的地面最大下沉值为3 660 mm，地表最大下沉系数为0.58，地表沉陷超前影响距离平均为53.4 m，平均超前影响角为69.2°，工作面采空区侧区段煤柱上方地表沉陷的范围和下沉量比实体煤侧要大。