大采宽大采深综放工作面地表移动变形规律分析

方 茜

(潞安环能股份公司 生产办，山西 长治 046204)

随着矿井开采水平不断向深部延深，开采规模持续扩大，地表沉陷问题愈加突出，对生态环境造成严重破坏，所以对地表移动变形规律的研究具有重要意义。近年来，国内积极开展了矿井开采地表沉陷研究，研究水平达到了新的高度，但是针对大采宽大采深综放工作面地表移动变形规律研究相对较少，不利于煤矿绿色开采技术的应用推广[1]。为此，本文选取余吾煤业S1202大采宽大采深综放工作面作为研究对象，开展了地表移动变形规律研究。

1 工作面概况及观测站布置

1.1 工作面概况

余吾煤业S1202工作面平均开采深度402 m，开采宽度310 m，开采长度1 390 m，表土层厚度约45 m。工作面主采3号煤层，平均煤厚6.15 m，煤层倾角0～3°。顶板为泥岩、粉砂质泥岩，局部为细砂岩；底板为黑色泥岩、粉砂岩。工作面采用走向长壁综采放顶煤采煤方法，全部垮落法管理顶板。

1.2 地面沉陷观测站布置

在S1202工作面上方地表布设2条地表移动观测线：走向观测A线和倾向观测B线。其中走向观测A线长690 m，设观测点22个(A1～A22)，控制点2个(KA1、KA2)，合计24个监测点，点间距30 m；倾向观测B线长570 m，设观测点18个(B1～B18)，控制点2个(KB1～KB2)，合计20个监测点，点间距30 m。监测点采用预制钢筋混凝土标桩，观测线选在地形较为平坦地区。观测线及测点布置见图1。

1.3 观测方法

采用GPS静态测量方法将矿区控制网与开采沉陷监测站控制点进行联测，获取各控制点的坐标和高程。观测点平面坐标测量采用全站仪来完成，高程采用水准仪进行观测。

图1 S1202工作面地表移动观测线布置

2 地表移动变形观测成果分析

2.1 地表下沉形态及规律分析

对S1202工作面观测后，根据观测结果绘制不同时期走向线和倾向线的下沉曲线图(见图2)，列出地表移动最大变形值(见表1)。

由图2(a)可见，随工作面的推进，地表下沉值逐渐增大，由于工作面宽深比相对较大(D/H=0.77)，开采引起的地表变形也较为充分，因而观测到地表下沉量较大，观测点A19至A21出现了最大下沉的平底部分，达到充分采动状态；由图2(b)可见，随工作面的推进，下沉值由小变大，但最大下沉点(B观测线的B16点)的位置基本不变，符合一般的下沉分布规律。说明观测资料是可靠的[2]。

表1 观测站最大移动变形值

图2 S1202工作面实测下沉曲线

2.2 地表移动主要参数确定

地表移动参数可以反映地表移动与变形的特征及程度，主要包括地表移动角量参数和地表移动动态参数等。具体有地表移动边界角、移动角、裂缝角、充分采动角、最大下沉角、地表最大下沉速度等参数。

2.2.1 地表移动角量参数[3]

1) 边界角、移动角、裂缝角。通过对观测站走向和倾向观测资料的分析，能够获得地表移动变形角量参数，包括边界角、移动角和裂缝角，具体见表2。

表2 地表移动范围角量参数

2)充分采动角、最大下沉角。根据走向观测A线的实测结果，通过移动变形曲线的下沉曲线平底边缘点(最大下沉值的边缘点)可确定充分采动角，即φ=60°。

最大下沉角是指在倾向观测线上由采空区中心至最大下沉点的连线在下山方向与水平线的夹角，通过实际观测结果分析可知：倾向B观测线最大下沉角为θ=87.6°。

2.2.2 地表最大下沉速度

根据观测成果可知，走向观测A线上的A19～A21均达到了该地质采矿条件下的最大下沉值，因而对地表下沉速度的计算可采用任意一点的多期观测成果进行，本文选择达到最大下沉的A19点的7次观测成果中的两次观测的下沉差ΔW=1 923 mm，观测间隔天数t=14 d，计算获得地表最大下沉速度，即：

(1)

工作面推进速度是影响地表下沉速度和地表移动持续时间的主要因素。一般单一工作面最大下沉速度的经验公式可由下式表示：

(2)

式中：K为下沉速度系数；c为工作面推进速度，m/d；H0为平均开采深度，m；Wmax为本工作面最大下沉值，mm。通过反算可求取下沉速度系数K=2.3。

由此得到S1202工作面观测条件下的最大下沉速度估算经验公式为：

(3)

2.3 地表移动变形参数修正

1) 初始模拟参数。根据本矿区原有的开采沉陷观测资料，结合长治地区五阳矿和王庄矿的实际观测资料，综合给出本次模拟求参的初始计算值大致为：下沉系数0.78；水平移动系数0.3；开采影响传播角86°；主要影响角正切2.4；拐点偏移距-0.1Hi。

2) 优化模拟计算。按照上述选定的参数，结合观测站点位的具体坐标进行地表移动变形预计，采用概率积分法优化模拟求参，具体求参结果见表3。

表3 优化模拟求参结果

注：α为煤层倾角；Hi为开采边界采高。

按照最佳模拟参数计算的地表移动变形值与实测值绘制的移动变形曲线对比见图3和图4。

图3 走向观测A线实测与优化模拟比较

图4 倾向观测B线实测与优化模拟比较

由图3、图4可知，按最佳模拟参数计算的地表移动变形值与实测值的变化趋势和范围基本一致，表明所选择的修正后的地表移动主要参数合理，可以作为今后地表移动变形计算的依据。

3 结 语

1) 由于工作面宽深比相对较大(D/H=0.77)，开采引起的地表变形也较为充分，因而观测到地表下沉量较大，地表移动变形规律较为明显，总体符合一般沉陷规律。

2) 通过分析余吾煤业地表移动观测站的实测数据，给出了余吾煤业地表移动主要参数。

3) 基于概率积分法对地表移动变形的参数进行了修正，研究结果可指导余吾煤业合理留设保安煤柱，为地表移动变形计算提供必要参数。