东滩煤矿3306 工作面开采地表移动变形规律分析

刘 峰 建

（兖州煤业股份有限公司东滩煤矿，山东 邹城273500）

0 引 言

东滩煤矿在2018 年8 月9 日～2019 年2 月27日开采东翼三采区的3306 工作面，该工作面东部上方为北宫村，东北部为北店村。井下煤层的开采将会对地表村庄建（够）筑物造成一定影响。在工作面开采时，为了解该区域地质采矿条件下的地表移动变形状况，保证地表建(构)筑物的安全使用，并通过观测的数据, 分析地下开采对地表村庄房屋的影响规律，以更好的指导类似工作面的开采方案，确保矿井安全开采[1-5]。同时在井下煤层开采工程中，进行具体地表的移动变形观测工作，对于矿井今后掌握地表塌陷规律和科学指导建(构)筑物下压煤的开采也是十分重要的[6-8]。

1 采矿地质条件

3306 综放工作面标高：-545.8m～-498.6m，平均-522.2m。埋藏平均深度：573.4m。本工作面回采3 煤层，煤层厚度6.60～9.50m，内生裂隙发育，参差状断口，条带状结构，含两层夹矸：一层夹矸位于3煤底板之上5.40～5.75m 处，厚0.02～0.03m，岩性为粉砂岩；另一层夹矸位于3 煤底板之上1.80～3.70m 处，厚0.10～0.42m，岩性为泥岩或粉砂岩，局部缺失或异常增厚。煤层结构复杂自西向东逐渐变薄；FQ23 正断层切割3F80 逆断层，断层带宽25～29m，局部形成无煤带。3 煤层顶底板状况见表1。

表1 3 煤层顶底板状况表

工作面煤层可采指数Km=1，变异系数γ=10.63%。煤层倾角0°～10°，平均5°，普氏硬度系数f=2～3。据2014 年瓦斯等级鉴定结果为低瓦斯矿井，煤尘有爆炸危险性，爆炸指数为37.42%。煤层自然发火倾向性为Ⅱ级，属自燃煤层，发火期为3～6个月。3 上煤层具有弱冲击倾向性，3306 综放工作面走向长1248.7m，倾斜宽142.0～238.2m，工作面总面积252156.1m2。地面无积水区，西部为农田，东部进入北店村保护煤柱，回采将造成地表沉降，工作面开采前已完成影响区域内村庄的搬迁。

2 主要工作内容与完成工作量

根据3306 工作面预计的下沉等值线图，在3306 工作面地表移动观测站共计布设3 条观测线，即1 条走向线（Z 观测线），布设观测点39 个；1 条倾向线（Q 观测线）布设观测点39 个和1 条建筑物下沉观测线（J 观测线），布设观测点50 个。在走向观测线东端布设3 个基准点；沿倾向观测线北端布设3 个基准点。

本项工程水准观测首次和末次采用三等水准进行测量，首次独立进行2 次三等水准测量，单次观测线路长约5km。日常观测施测四等水准，单次观测线路长约4.6km，共计观测30 次。平面观测，开采前进行一次观测，稳定后进行一次观测，共计2次。基准点和观测点平面坐标利用YKCORS 网RTK流动站进行观测，每次观测时需在基准点上采集6次数据。

通过本工程观测的数据了解、分析地质采矿条件下地表移动变形状况，求出相应的地表移动参数。

3 数据分析

北宫村和北店村西南北水泥路边观测线上最大下沉点为Q21，下沉3.539m。工作面沿北宫村、北店村中间的东西水泥路边的观测线上最大下沉点为Z6，下沉4.08m。 沿北店村的4 条东西街道和距工作面较近的1 条南北街道的观测线上最大下沉点是J48，下沉0.873m。观测站布置的Z、Q、J 观测线，每条观测线变形值极值参见表2。

表2 实测观测线变形极值

3306 观测站实测的最大下沉值4.081m，最大水平移动1174mm，最大的水平变形44.35mm/m，最大倾斜15.1mm/m，最大曲率0.302(10-3/m)。

3.1 超前影响距和超前影响角

在工作面推进过程中，工作面前方的地表受采动影响而下沉，这种影响称为超前影响，将工作面前方地表开始移动（即下沉达到10mm）的点与当时工作面的连线，此连线与水平线在煤柱一侧的夹角称为超前影响角，用ω 表示。开始移动的点到工作面的水平距离称为超前影响距d，已知超前影响距和开采深度，便可计算出超前影响角，其计算公式为：

式中：d 为超前影响距；H0为平均深度。

Z 观测线的Z9 点, 第2 次实测的下沉值为0.010m，可以确认Z9 点为第2 次观测的超前影响点，该点到工作面的距离为278.6m。超前影响距278.6m，该点的开采深度为565m，由此计算出超前影响角为63°45′。

3.2 最大下沉速度及滞后角和滞后距

在工作面推进过程中，地表最大下沉速度点和回采工作面之间的相对位置基本不变，最大下沉速度的点也在向前移动，可以发现，当地表达到充分采动后，在地表下沉速度曲线上，最大下沉速度总是滞后于回采工作面一个固定距离，此固定距离称为最大下沉速度滞后距，用L 表示，把地表最大下沉速度点与相应的回采工作面连线，此连线与煤层(水平线)在采空区一侧的夹角，称为最大下沉速度滞后角，用φ 表示，其计算公式如下：

式中：L 为滞后距；H0为平均深度。

3306 综放工作面中间的Z8 点下沉速度最大，2018 年11 月7 日第10 次实测的最大下沉速度为74.4mm/d，该点的下沉速度曲线参见图1。

图1 Z8 点下沉速度曲线图

从这个点的下沉速度曲线总体趋势来看，其最大下沉速度出现在2018 年11 月7 日，此时工作面距该点119.6m，即3306 综放工作面最大下沉速度滞后距119.6m。该处平均深度为565 米，最大下沉速度滞后角为：78°03′。

3.3 最大下沉角

Z 观测线21 次测量工作面中部点下沉统计表参见表3。

表3 Z 观测线下沉值统计表

从观测站平面布置图可以看出，这4 个点均在工作面中部，从上表可以看出最大下沉点在Z7 点，该点偏离工作面中心10.58m，此处埋深570m，最大下沉角：θ=88°56′。

3.4 移动角

从Q 观测线线综合变形计算表可以看出，Q8-Q9 水平变形为2.78，可以确认Q8 为移动边界点，该点距工作面的距离272.5，此处埋深575m，其移动角：64°39′。

3.5 边界角

边界角：Q 观测线的Q1 点第30 次测量的下沉值为10 mm，可以确认为边界点，该点到工作面的实时距离为475m，埋深575m，其边界角β=50°26′。

4 开采对北店村的影响程度评价

3306 综放工作面开采对北店村有影响，北店村实测的最大变形值参见表4。

表4 北店村实测最大变形值统计表

按照《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(中华人民共和国国家安全监管总局、国家煤矿安监局、国家能源局、国家铁路局2017年5 月颁布)有关规定，北店村最大的破坏等级为Ⅳ级(最高)。

北店村受影响区域布置的监测点成网状，可以拟合成下沉等值线图，其下沉等值线图参见图2，下沉立体图参见3。

5 结 论

通过此次岩移观测站数据分析得出的岩移及沉陷规律来指导地面建（构）筑物及农田水利的搬迁和保护工作，对以后即将回采的三采区3307 工作面和3308 工作面提供了技术理论支撑，保证了矿井正常开采。在村庄未过渡搬迁完之前，工作面回采期间，了解区域地质采矿条件下地表移动变形状况，保证地表建(构)筑物的安全使用，并通过观测的数据, 分析地下开采对地表村庄房屋的影响规律，可以好的指导类似工作面的开采，为矿山安全开采提供技术保障[9]。同时这对于矿井今后掌握地表塌陷规律和科学指导建(构)筑物下压煤的开采具有十分重要的意义。

图2 北店村下沉等值线图

图3 北店村下沉立体图