综放开采条件下某矿地表移动分析

宋亚泽 史杰波 张遇鹏

(1.山西天地王坡煤业有限公司；2.山西泽州天泰岳南煤业有限公司)

煤炭资源持续利用开发，开采强度也在不断加大，地表沉陷对村庄等构筑物造成的破坏也越来越严重，所以对岩层移动参数的研究已成为煤矿安全生产合理布置工作面的先决条件。多年来，通过学者不断的深入研究，已基本掌握各种地质条件下地面岩移变形的一般规律[1-5]。但对近年来兴起的大采高、综放等开采条件下，地表岩移分析研究较少[6-12]，本项目针对某矿在综放开采条件下开展岩移观测研究，以期获得地表移动变形参数，为现代矿山安全生产提供技术保障。

1 工作面地质采矿条件

某矿首个回采工作面位于矿井一水平一采区3号煤层。受控于煤系基底起伏呈微波状单斜构造，高程由西南向东北逐渐降低，进风顺槽一侧相对较高。根据工作面顺槽掘进期间获取的地质资料可知，该工作面煤层埋藏深度约为410～436 m，平均422 m；标高+530～+545 m，平均+538 m；倾角0～8°，平均4°；工作面斜长180 m，走向长1 030 m；地表多为山壑沟谷，冲积层厚度20 m；煤层顶板为黑色泥岩，有时含粉砂岩或变为砂质泥岩，底板为粉砂质泥岩或泥岩，煤层厚度4.2～7.89 m，平均5.8 m。采用综采放顶煤开采工艺。

2 观测站设计及观测方法

2.1 观测站设计

网状观测站和面线观测站是目前布设观测站主要形式，网状观测站成本高,主要用于在建筑物密集区和开采地质条件十分复杂的矿层，该矿的地表多山壑沟谷，村庄等建筑物少，地质条件十分简单，所以本次观测采用1条沿着煤层走向、1条沿着倾斜方向且相互垂直的2条测线组成的面线观测站。

走向半盆地观测线(Z线)沿工作面走向方向垂直于切眼，从切眼中心位置起，用长度LZ控制走向半盆地范围，按式(1)计算：

LZ≥2hcotφ+2(H0-h)cot(δ-Δδ) ，

(1)

式中，h为冲积层厚度，取20 m；φ为冲积层移动角，取45°；H0为平均开采深度，取422 m；δ为走向移动角，取75°； Δδ为走向移动角修正值，一般取20°。

通过计算得知，走向观测线LZ应大于等于603 m。

倾向全盆地观测线(Q线)沿倾斜方向与走向观测线垂直且相交，方向与煤层倾向方向相同，把观测区域扩大到工作面两边煤柱，监测整个盆地的沉陷动态，按下列式(2)计算：

LQ=2hcotφ+(H1-h)cot(β-Δβ)+D1cosα+(H2-h)cot(γ-Δγ) ，

(2)

式中，H1为开采下边界开采深度，取436 m；β为倾向采空区下边界移动角，取78°；Δβ为倾向采空区下边界移动角修正值，一般取20°；D1为切眼长度，取180 m；α为煤层平均倾角，取4°；H2为开采上边界开采深度，取400 m；γ为倾向采空区上边界移动角，取75°；Δγ为倾向采空区上边界移动角修正值，一般取20°。

计算得知，倾向全盆地观测线LQ=746 m。

D2为工作面切眼与布设的倾向观测线的距离、D3为布设的倾斜观测线与工作面停采线的距离，需满足：

D2、D3≥hcotφ+(H0-h)cot(δ-Δδ) .

(3)

从式(3)计算结果可以得到302 m，但根据实际的地形情况，按照D2=400 m进行布设，自然能满足D3要求，所以本次设计Q线与开切眼的间距选取为400 m。

依据《煤矿测量规程》相关要求，本次走向及倾向测点间距均取25 m，走向观测线取整数共25个观测点，沿工作面推进方向编号为Z1～Z25，长度625 m；倾向观测线取整数共30个观测点，编号为Q1～Q30，长度750 m。在走向线上一端布设2个控制点(G1、G2)，在倾向线两端各布设2个控制点(G3、G4、G5、G6)，控制点与测点的外端点间距为100 m(图1)。

图1 测站布设

2.2 观测方法

地表观测主要使用的仪器设备包括尼康DTM-352C全站仪、华测X10及其它辅助设备。埋设观测点半个月后开展2次连接测量，误差精度按照5″导线测量要求，将测站与矿区控制网联系起来；在地表移动之前进行2次全面测量，建立移动前与工作面测量位置关系网，在工作面推采过观测区之前和过观测区之后分别进行1次全面观测；每月进行1次日常观测。

3 观测成果整理及分析

工作面观测从2017年12月—2019年7月共进行各种观测21次，地表沉降稳定的判定标准为6个月内地表各点的累计下沉值不超过30 mm。

3.1 移动和变形计算

将21次观测原始资料进行整理分析计算各观测线的最大下沉值。第m次观测时n点下沉值采用式(4)计算：

(4)

如图2所示，工作面推采至96 m时，Z3～Z11之间形成了一个小型下沉盆地，工作面地表有明显的下沉，下沉盆地随着工作面的不断推采，逐渐向推采方向变大，最大下沉值也呈同样趋势，通过对后续的最后几次观测数据分析，最大下沉值发生在Z16点，最大下沉值为2 860 mm。

图2 走向下沉曲线

如图3所示，倾向上地表下沉盆地在采空区正上方下沉明显且幅度大，越远离采空区下沉幅度越小，Q线的下沉与工作面的推进成正比关系，最大下沉值发生在Q15，最大值为2 850 mm，最大下沉值发生在采空区中间位置的Q15点。

图3 倾斜下沉曲线

观测日期同图2。

m次观测时n点水平移动采用式(5)计算：

(5)

式中，Ln为n点的水平移动，mm；

经分析走向上工作面未推进至该点时，该点会朝着切眼方向移动，工作面推过该点后，该点的移动方向与原来移动方向相反，向着采空区盆地中部移动，倾向上处于采空区上方的地表移动值越来越大，但移动方向与工作面的推采方向相反，符合实际的开采沉陷规律。

3.2 地表移动角量求取

利用实测的地表移动数据，经过整理分析得出在该采矿地质条件下的一些角量，摸清综放工作面采空区地表的移动特征。

(1)启动距。启动距是在走向剖面上地表开始移动时采煤工作面的推进距离，判断标准为地表任意观测点的下沉值达到10 mm。根据地表监测点多期的实测三维坐标数据，得到综放工作面的走向启动距为96 m，按覆岩总厚度计算，该面平均埋深422 m，得到启动距约为煤层平均采深的0.23。

(2)超前影响角。超前影响是工作面回采造成的前方岩层地表下沉的现象，计算公式为

(6)

式中，ω为超前影响角，(°)；l为超前影响距，m。

超前影响距是指回采工作面前方下沉值达到10 mm的地表观测点与工作面推进位置之间的水平距离，根据测量资料可得工作面的超前影响距为130 m，经式(6)计算获得超前影响角为72.8°。

(3)最大下沉速度滞后角。根据本次观测资料，最大下沉速度点的位置滞后工作面一段距离，最大下沉速度滞后角计算公式为

(7)

式中，φ为最大下沉速度滞后角，(°)；L为最大下沉速度滞后工作面的距离，m。

分析观测资料可知，Z15测点发生最大下沉，滞后工作面的距离为106 m，经式(7)计算获得最大下沉速度滞后角75.9°。

3.3 地表移动稳定后的角值求取

(1)边界角。工作面倾角4°，为水平煤层，所以只考虑走向、倾向主断面边界角，上山边界角和下山边界角近似认为相等。边界角以下沉10 mm的位置作为临界边界，走向边界角和倾向边界角分别由式(8)和(9)确定。

(8)

(9)

式中，δ0为走向边界角，(°)；β0为下山边界角，(°)；γ0为上山边界角，(°)；L1为切眼与地表移动沿走向边界在水平方向的距离，m；L2为工作面两帮与地表移动沿倾向边界在水平方向上的距离，m。由式(8)和(9)，可得δ0=76.6°，β0=γ0=70.4°。

(2)移动角。利用最后一次全面观测成果，对一般砖石结构的建筑物可按水平变形ε=2 mm/m、倾斜变形i=3 mm/m，曲率K=0.2×10-3/m中最外一个临界值作为标准求取移动角，经计算可得如下参数(表1、表2)。

表1 地表走向移动角

表2 地表倾向移动角

依据以上计算成果，综合地表移动角在走向方向上宜采用74°，上山综合移动角宜采用79°，下山综合移动角宜采用77°，可以更好地保证地表建造物的安全。

4 结 语

(1)确定了走向观测线和倾向观测线的布设长度和位置，完成了综放工作面地表移动观测站的设计。

(2)通过长期对观测站的观测获取了工作面多个地表移动参数，对指导矿井的安全生产、合理留设村庄等构筑物保护煤柱具有重要的指导意义。