浅埋煤层开采地表沉陷规律分析

李 洋

（山东省煤田地质局第一勘探队，山东 滕州 277500）

1 工程概况

依据东部及中部地区浅埋中厚煤层地表沉陷规律，对西部地区煤层开采引起地表沉陷指导性不强[1-3]。同时随着东部及中部地区煤炭资源逐渐枯竭，西部地区日益成为我国煤炭的主采区。因此，分析西部地区矿井煤层开采引起地表沉陷规律，对指导矿井后续开采具有显著现实意义。

隆德矿可采煤层有2-2、5 煤层，现阶段主采2-2#煤，厚度4.01～6.79 m，埋藏深度135～205 m，上覆基岩层厚度73.5～178.6 m，平均113.5 m，松散层厚度5.3～55.7 m，平均38.8 m。矿井采煤方法采用综合机械化采煤工艺。文中采用现场实测法对地表沉陷进行监测，从而掌握矿井煤层开采时引起地表变形规律及特点。

2 测点布置及数据观测

201 工作面为2 采区2-2 煤层首采工作面，采面东北侧为采区集中轨道、运输巷，其余均为实体煤。采面设计走向长度3500 m，斜长300 m，煤层底板标高+995～ +1021 m，对应地表标高+1205～+1250 m。煤层赋存稳定，结构简单，倾角2°，煤厚4.1 m。

针对201 工作面开采条件，在采面切眼位置沿走向、倾向分别布置一条测线。走向观测线A 长度共计690 m，58 个测点，控制点（KA1～KA3）、工作点（A01～A55）数分别为3 个、55 个，测点间距均为10 m；倾向观测线B 长度共计1010 m，78个测点，控制点（KB1～KB6）、工作点（B01～B72）数分别为6 个、72 个。具体测线布置如图1。

测点采用全站仪进行水平观测，水准仪进行高程观测，其中测线A、B 分别进行6 次水平、13 次高程观测。

图1 地面测线布置示意图

3 地表测点观测数据及变形规律分析

3.1 岩移参数

（1）测点垂向及水平位移

由观测结果得知，在走向观测线A 上发现A40号测点的垂向下沉量为2098 mm，位移最大；水平位移最大的为A26 测点，位移量为745 mm。具体走向观测线A 上各测点下沉量监测结果如图2。倾向观测线B 上发现B35 测点垂向位移最大，下沉量为2040 mm；B40 测点水平位移最大，位移量为618 mm。

图2 走向观测线A 上各测点下沉量监测结果

（2）地表下沉持续时间及速度

监测发现在走向观测线A 上A40 号测点下沉速度最快，可达166.45 mm/d（滞后采面约130 m 位置）。通过插值法计算测点下沉速度，具体移动初始期、活跃期以及衰退期持续时间分别为2 d、31 d以及63 d。

在倾向观测线B 上B35 点下沉速度最快，可达145.8 mm/d，发生在采面推进该测点115 m 位置。通过插值法分析计算，推测出该测点活跃期以及衰退期时间分别为35 d 以及64 d，未监测到有移动初始期。

（3）下沉移动距及超前影响角

在第三次高程观测时发现走向观测线A 上的A20 测点下沉值最大，下沉值达到15.6 mm。采用插值法计算确定地表下沉量值约为10 mm 时回采工作推进距离约为48.6 m，因此确定采面超前采动距为48.6 m，此时采面采深（H）按照229 m 计算，得到超前采动距约为0.21H。

2018 年9 月5 日采面回采推进约190 m，此时采面采空区覆岩充分垮落、下沉，在采面对应地表前方约88 m 位置的A48 测点下沉量值为10 mm，因此认为采面超前影响距离为88 mm。此时采面采深为229 m，根据勾股定量计算得到超前影响角为68.8°

（4）综合边界角及移动角

煤炭回采后会引起地表沉陷，并以10 mm/m 速度为地表沉陷边界。根据地表变形监测结果，得到走向方向上综合边界角为58.5°，回风顺槽、运输顺槽综合边界角分别为55.2°、56.7°。

根据移动角定义，分别按照水平变形值、倾斜变形值以及曲率变形值对综合移动角进行求解，具体求得走向综合移动角为81.5°，倾向方向回风顺槽、运输顺槽侧综合移动角分别为81.2°、83.7°。

3.2 地表移动参数拟合分析

根据采面地表布置的走向、倾向测线实测结果，以及下沉值、水平值拟合曲线，采用概率积分法对地表移动参数进行拟合，具体结果见表1。

表1 地表移动参数拟合结果

从表1 得出，201 工作面回采后拐点移动距以及主要影响角正切值较大，分析主要是201 采面为2 采区首采工作面，采面开采后在切眼以及两侧回采巷位置顶板未能充分垮落引起。

4 地表变形规律分析

矿井开采的2-2 煤层埋深较浅，基岩厚度较大，基采比约为27.7，煤层开采后相对于东部及中部矿井地表变形有其独特规律[4-7]：

（1）在采面地表边界及开采前方有拉伸裂缝，但是裂缝宽度多在7 cm 以内，且局部发育未横穿整个采面，分析主要是由于2-2 煤层上覆有较厚的基岩，煤层开采后地表整体处于弯曲下沉带，从而导致地表裂缝与井下裂缝局部贯通。

（2）地表裂缝与采面切眼平行发育，裂缝角较大。随着采面回采推进，采空区对应地表覆岩在拉伸应力作用下产生的拉伸裂缝变化是一动态过程。在采面开采影响下，在超前采面约48.6 m 范围内产生有拉应力，当应力值超过松软层极限抗拉强度时，即会使得松散层出现破坏从而使得地表出现裂缝。采面推进后地表对应岩层处于拉伸变形阶段，从而导致裂缝宽度逐渐增加；当采面回采推进过该裂缝位置后，裂缝围岩受力由拉伸转为压缩，从而使得裂缝逐渐闭合。

5 结 语

根据矿井2 采区首采工作面工程地质条件以及采面开采情况，在采面对应地表建立倾向、走向测站，对2-2 煤层开采后引起的地表变形情况进行实测，从而具体得到浅埋煤层开采地表岩移参数。

（1）具体确定岩移参数为：综合边界角δ0=58.5°、β0=55.2°、γ0=°56.7°；综合移动角δ=81.5°、β=81.2°、γ=83.7°，走向、倾向方向综合边界角、综合移动角较为接近的主要原因是2-2煤层为近水平煤层，倾角较小。

（2）采用概率积分法确定的下沉系数η=0.6、tanβ=2.0、b=0.43、S=50、θ=0.5，计算结果与模拟结果接近，表明该矿2-2 煤层赋存条件满足概率积分法应用要求。

（3）2-2 煤采后地表变形剧烈，移动周期短；地表产生的裂缝多与采面切眼方向平行且位于采面中部位置，裂缝角较大。研究成果可在一定程度上指导矿井护巷煤柱留设以及开展地表构筑物保护工作。