曹家滩煤矿首采工作面地表移动规律分析

2020-08-05华照来李锦明

陕西煤炭 2020年4期

华照来，李锦明

(陕西陕煤曹家滩矿业有限公司，陕西榆林 719000)

0 引言

曹家滩井田位于鄂尔多斯高原东北部，陕北黄土高原北部，毛乌素沙漠东南缘。井田内最高处位于井田北部石庙梁，标高+1 352.2 m，最低处位于井田东部野鸡河沟田家圪台，标高约+1 223.30 m，最大高差128.9 m，一般标高+1 290 m。地表地貌包括沙丘沙地和风沙滩地、黄土梁峁地貌。首采煤层2-2煤全区可采，煤层的结构简单，一般不含夹矸，局部顶部或底部有1～2层夹矸，厚度0.04～0.26 m，煤层倾角平缓，地质构造简单，开采技术条件优越，煤层埋藏深度255～338 m，煤层厚度较稳定，为8.08～12.7 m，平均厚度为11.2 m。

曹家滩首采工作面采用分层大采高综采工艺，工作面倾向长度为350 m，属于超长工作面，推进长度约为6.2 km，上分层采高平均为7.0 m。开展首采工作面地表岩移参数的研究可以为其后续工作面的安全回采提供指导[1-3]，此外，探究覆岩及地表移动变形的规律对覆岩中含水层、地表建(构)筑物的保护具有重要意义。

1 地表移动观测设计

1.1 地表观测站布设

剖面线观测站：根据设站的目的，合理选择观测站的布设形式[4-6]。观测站一般分为剖面线观测站和网状观测线2种。剖面线观测站是目前矿区应用较多的一种布站形式，即在主断面上(倾斜与走向)方向上布点成直线形[7-9]，如图1所示。剖面线观测站一般由2条观测线组成。一条沿煤层走向方向，一条沿倾斜方向，互相垂直并相交。

图1 剖面线状观测站

网状观测站：网状观测站是在地表设立较多测点，组成网状观测站，如图2所示。网状观测站可观测整个采动范围，观测资料比较全面、准确，可进行全盆地移动变形分析。但是网状观测站测点数目太多，观测工作量大，因而这种方法一般只在产状复杂的矿层或在建筑物密集的地区开采时应用[10-13]。

图2 网状观测站

1.2 地表观测线布设

控制点布设：根据开采区地表地形分析，在采区之外根据地表已有永久控制点确定观测线的控制点至少2～3个(R1～R3)并与走向观测线相连接，根据已知控制点的平面坐标和高程，将控制点加密到6个点(R1～R6)，工作测点的外端点与控制点的间距及控制点与控制点的间距不宜小于50 m。

实地测线布设：沿走向方向布置一条观测线(Z线)；沿倾向布置一条倾向观测线，且与走向方向线基本垂直。由于受地形影响，实际布设测线时对2条测线的长度、A线和Z线距离都做了相应调整。

观测点的埋设：曹家滩煤矿首采工作面埋深约340 m，依据“测点密度的选取参考表”，测点之间距离选取25 m。根据理论分析，A线长1 047.5 m，距切眼距离418.7 m，A线共布置测点43个，编号为A1～A43；其中A线两端各设2个控制点；Z线长为687.5 m，Z线共布置测点29个，Z1～Z29，Z线在工作面外设3个控制点。

观测点实地标定：结合井上下对照图与观测线及其测点布设图，在图纸上量RZ1、RZ2和RZ3起始坐标，并由已知控制点K1、K2准确放样出RZ1、RZ2和RZ3坐标并测定出其实际坐标，从而由RZ1、RZ2和RZ3放样出走向观测线(Z)。同样，在图纸上量取RA1、RA2坐标，在实地标定出其坐标，由K1、K2放样RA1、RA2实地位置，由RA1、RA2点的坐标放样出走向观测线(A)。所用材料为木桩和钉子，每个测点须用红漆写上编号，在以后正式埋设时要予以保留，防止再测量时漏点和便于记数，测点间距一般设为25 m范围，如果遇到特殊地形可适当加以调整。尽量保证同一条观测线上的测点在一条直线上，倾向观测线与走向观测线垂直。

1.3 122106工作面观测成果

对122106工作面观测成果进行整理和分析，得到地表移动监测成果见表1。

表1 地表移动角值和最大变形

2 工作面地表移动规律试验

2.1 UDEC数值模拟

(Z线)工作面推进方向基岩及地表移动规律：随着工作面的推进地表不断下沉，最大下沉量分别为3.14 m、3.63 m、3.75 m、3.86 m、3.97 m、4.21 m，表明地表下沉在第7次来压后就趋于稳定，最大下沉量为4.21 m。工作面开挖800 m，回采稳定，整个采空区上部呈现下沉盆地。

(A线)工作面倾向方向基岩及地表移动规律：工作面开挖800 m，回采稳定，沿工作面倾向方向A线基本处于稳定状态，整个采空区上部呈现下沉盆地，地表最大下沉量达到3.34 m。

地表岩移影响范围分析：由图3可知，沿工作面走向方向，800～1 000 m之内的测点位于实体煤上方，可见工作面的回采对实体煤上方地表影响范围在800～900 m，即影响范围为100 m。由图4可知，沿工作面倾向方向，500～650 m之内的测点位于实体煤上方，可见工作面的回采对实体煤上方地表影响范围在500～625 m，即影响范围为125 m。由此判断工作面开挖对实体煤上方地表的影响范围在100～125 m。

图3 工作面开挖800 m Z线下沉曲线

图4 工作面开挖800 m A线下沉曲线

2.2 物理模拟

模拟结果：在各煤层工作面开挖试验过程中，每隔3～5 min开挖一次，推进2.0 cm，模型2-2煤采高为2.8 cm；按照相似比例(1∶250)，为了更真实地表述各煤层实际开采情况，在试验描述过程中均采用相似比例换算到实际数据进行表达。图5为10次周期来压地表的位移曲线，前3次周期来压地表下沉量不大，第4、5次周期来压，垮落带高度分别为19.6 cm、25.2 cm。第6次周期来压，微裂隙发展到基岩顶界面；第7次周期来压，微裂隙进一步扩展；第8次周期来压，地表出现下沉并出现微裂隙；第9次周期来压，地表出现裂隙；第10次周期来压，地表裂隙进一步扩展。

图5 物理模拟试验模型地表下沉曲线

结果分析：由此可见，第4次周期来压，地表下沉量明显增大，表明第4次周期来压时关键层破断导致关键层上覆岩层的下沉。随着工作面的推进，地表进一步下沉，第7次周期来压时，地表最大下沉量为增速缓慢并趋于稳定。第10次周期来压时，地表最大下沉量为1.63 cm，实际换算为4.08 m，与实际情况相符合。表2为现场实测、数值模拟、物理模拟3种方法10个周期来压地表最大下沉量，对比分析3种方法的所得数据，其相差不大，表明观测数据可靠。