厚煤层大采高开采地表下沉观测与结果分析

李建力，黄乃宝

（1.山西晋煤太钢能源有限公司，山西 晋城 048006；2.晋城泽祥勘探测绘有限公司，山西 晋城 048006）

煤炭资源从地下采出后，周围岩体的原岩应力平衡状态会遭到破坏，从而诱发地表沉陷，并可能导致出现一系列的环境灾害问题。因此，开采后地表沉陷损害治理与地表环境保护问题一直是世界范围内亟待解决的问题[1]。目前，关于开采引起的覆岩与地表移动规律等方面已有大量的研究成果[2]，但是大采高浅埋煤层开采引起的覆岩与地表移动规律具有自身的特点，需要进一步系统研究。本文以寺河煤矿5304 大采高工作面为例，建立地表移动观测站，对地表移动变形规律及岩层角值参数进行研究分析。研究成果对寺河矿区的保护煤柱设计以及“三下”开采具有一定的指导意义。

1 地质采矿条件

山西晋城寺河矿是国家“九五”期间重点建设项目，年生产能力为10.80 Mt。矿井位于沁水煤田东南边缘，工业场地位于沁水县嘉峰镇殷庄村。全井田可采煤层由二叠系至石炭系分为3#、9#、15#共3 层，总厚度10.32 m。其中，主采3#煤层厚度5.0～7.22 m，平均厚度6.21 m。

1.1 工作面位置

寺河矿5304 工作面位于东五盘区，工作面走向为1 050 m，倾向长300 m。始采时间2017年2月、结束回采时间2017年6月。底板标高为+294～+348 m，地面标高为+570～+660 m。工作面平均采厚为5.82 m，平均采深为288 m。煤层走向270°，倾角为0°～10°，为近水平煤层。工作面采用综合机械化采煤方法开采，全部垮落法管理顶板，工作面位置见图1。

图1 寺河矿5304 工作面位置

1.2 煤层顶、底板情况

3#煤层，煤质坚硬，为稳定煤层，f=1～2。煤层顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板情况

2 岩层移动观测站设计

为对地表移动变形的情况进行全过程的监测，结合工作面地质采矿条件和地表上方的地形地貌特点，根据文献[3]在5304 工作面地表上方建立剖面线状地表移动观测站。观测站共布置三条测线，其中沿工作面推进方向上布置一条A线，长为775 m，测点间距为25 m，共32 个测点；在垂直于工作面推进方向上一条B线，长为775 m，测点间距25 m，共32 个测点（含AB交点）；在靠近停采线位置布置一条X线，长为457 m，间距65 m，共8 个测点，见图2。

图2 寺河矿5304 工作面地表岩移观测站布置

3 地表移动变形规律及角值参数分析

3.1 地表观测站观测成果分析

从2017年1月21日开始对寺河矿5304 工作面对应的地面测点进行第一次全面观测，获取了观测点的初始平面坐标和高程坐标。截止到2017年9月26日，工作面回采结束3 个月后，三条测线A线、B线分别测量了12 次，X线测量了8 次。根据各测点下沉值绘制成下沉曲线，见图3。

图3 观测线下沉曲线

从图3可以看出，随着工作面的开采，下沉值会越来越大，最大下沉点也会随之前移。在最后一次观测时，5304 工作面已达到充分采动，最大下沉点为A19 测点，最大值为4 365.6 mm。此时该工作面已达到稳定状态。

从图3（a）看出，在停采线位置附近，地表下沉较小，靠近工作面，下沉曲线急剧变陡。这是由于大采高开采造成大开采空间，上覆岩层随着工作面推进位置“随采随垮”，继而影响到地表。

在图3（b）垂直于工作面推进方向B线下沉曲线上明显看出，下沉盆地呈陡峭盆地型，最大下沉值并没有在工作面中心，而是向下顺槽偏移。

3.2 角值参数分析

（1）移动角

根据移动角的定义，从曲率、倾斜和水平变形的数值上，求取倾斜3 mm/m、曲率0.2 mm/m2、水平变形2 mm/m 的最外点。

在工作面推进方向上（走向方向），经过计算水平变形量为2 mm/m 的位置约在距停采线80 m处，由于停采线附近采深约253 m，所以计算出走向综合移动角约为72.5°；考虑松散层移动角，一般取为45°，松散层的厚度约为5.2 m，因此根据求取移动角的定义，计算得走向移动角约为73.2°。

同理，在垂直于工作面推进方向上（倾向方向），计算出倾向综合移动角为73.6°，倾向移动角为73.8°。

（2）边界角

根据边界角的定义，可从实测的下沉数据中寻求下沉量为10 mm 点的位置。

在工作面推进方向上（走向方向），分析实测数据可知，下沉量为10 mm 的位置约在图2、图3上应标出A6 附近，此点距离工作面停采线的距离约为106 m，工作面停采线附近采深约为253 m，计算出走向综合边界角约为67.3°，走向边界角约为67.8°。

同理，在垂直于工作面推进方向上（倾向方向），计算出倾向综合边界角为69.9°，倾向移动角为70.2°。

（3）充分采动角

由实测下沉数据可知，最大下沉点为A19 号测点，该点到停采线的距离约为218.5 m，平均采深约为288 m。根据充分采动角的定义，充分采动角约为52.8°。

4 地表移动变形预计结果及分析

为了分析地下开采引起的地表移动、变形值和影响范围，以及对地表建筑物的影响程度，必须进行地表移动和变形计算。本文采用概率积分法对5304 工作面开采区域进行地表移动变形预计。

4.1 预计参数的选取

预计所需参数为：下沉系数q、水平移动系数b、主要影响角正切tanβ、拐点偏移距s等。结合现场实际资料以及经验取值，预计参数选取见表2。

表2 5304 工作面地表移动预计参数

4.2 地表移动变形预计结果

根据以上所确定的预计参数，对5304 工作面回采稳定后引起的地表沉陷进行预计，其中下沉等值线见图4，工作面开采后引起地表移动、变形值预计和实测最大值见表3。

表3 5304 工作面开采后地表移动、变形值

图4 5304 工作面开采后地表下沉等值线

4.3 地表移动变形最大值

根据表3可知，当工作面开采后，预计和实测之间的最大下沉值误差只有15 mm 左右，其余相对误差很小，证明了概率积分法的可行性。

5 结语

基于地表移动观测站实测资料，对寺河矿厚煤层大采高5304 工作面开采后引起的地表移动变形规律及岩层角值参数进行了研究分析，研究结果表明：

由于大采高开采造成大开采空间，引起地表下沉盆地比较陡峭，地表倾斜值较大；根据观测站实测数据，得到该矿工作面开采后引起的地表最大下沉值为4 365.6 mm，最大倾斜值为37.2 mm。矿区倾向移动角为73.8°，边界角为70.2°，走向移动角为73.2°，边界角为67.8°，充分采动角为52.8°，最大下沉角为86.6°；通过实测资料分析，得到了该矿的概率积分法预计参数：下沉系数为0.83、水平移动系数为0.21、主要影响角正切为2.4 等。预计结果与实测结果相对误差全在10%以内，误差很小，证明了概率积分法的可行性。