忻州窑矿8308工作面岩移变化测量规律研究

胡晓燕，陈建华

（大同煤矿集团公司，山西大同037003）

1 概况

忻州窑矿位于大同煤田东北端，现开采侏罗系14-3#煤层，矿井通风系统合理、稳定、可靠。矿井水文地质类型中等，高瓦斯矿井。

1.1 工作面基本情况

井田内为中山丘陵黄土地貌景观，地形较复杂，黄土梁及“V”字沟谷发育，地势大致为北西高，南东低。井田内无大的地表水体。

8308 工作面对应地面位置为矿井东部，地面为黄土沟谷及山梁，煤层埋藏深度301～336m 左右。地表最高点位于井田西北区域地面三角点，高程1336.93m，最低点位于井田东南小沟谷内，高程1132.8m，相对高差204.13m，地形较为复杂。

1.2 开采煤层及煤层

8308 工作面地面标高在1195～1229m 之间，工作面标高在 890～906m 之间。8308（I）工作面走向长230m，工作面倾向宽131.3m，煤层厚度在0.8～5.85m，平均厚度为4.11m。8308（II）工作面走向长819.6m，工作面倾向宽131.3m，煤层厚度在0.8～5.85m，平均厚度为4.40m。煤层倾角平均为3°。平均开采深度为318m。

1.3 开采条件

设站工作面8308工作面采用长壁后退式一次采全高，顶板管理为自动垮落及强制放顶，相关开采技术参数见表1。

2 地表变形观测站布置

2.1 地表变形观测站布置

（1）地表移动变形观测站设计采用剖面线观测站，设计走向观测线一条和倾向观测线两条。

（2）为准确获取地表移动变形的规律，地表移动观测线设计布置在地表移动变形主断面上。观测线方向布置成与工作面边界垂直。

（3）为便于设点和观测，观测线选在地形较为平坦地区，避开冲沟和陡崖。

（4）考虑到工作面回采时间及项目的完成时间，综合地形条件为便于进行观测，设计开采沉陷观测线布置工作面中间，分为走向观测线A 线和倾向观测线B线、C线。

2.2 观测站设计时所用到开采沉陷参数

地表移动观测站设计所用的开采沉陷参数有：走向充分采动角ψ3、倾向上山充分采动角ψ2、倾向下山充分采动角ψ1，走向移动角δ、倾向下山移动角β、倾向上山移动角γ，移动角修正值Δδ、Δβ、Δγ及最大下沉角θ等。

地表移动观测站设计的开采沉陷参数取值如下：

（1）基岩移动角（走向δ，倾向上山γ，倾向下山β）：

δ=72°

表1 设站工作面开采技术参数表

γ=72°

β=δ-0.7α=72°-0.7×3°=70°

（2）表土层移动角：

φ=45∘

（3）移动角修正值（走向 Δδ，倾向上山 Δγ，倾向下山Δβ）：

Δδ=Δγ=20°

Δβ=18°

（4）充分采动角：

ψ3=61°

（5）最大下沉角：

θ=90°-0.7α=88°

2.3 观测线的位置及长度、测点及控制点的数目的确定

8308工作面布置了两条倾向观测线和一条走向观测线。

每条观测线长度等于观测站长度再加上控制段长度。各观测线边界段长度考虑综合移动角按下式计算：

L=Htan 50∘

式中：H——工作面边界开采深度，m。

2.4 测点的构造及埋设方法

观测站的各条观测线，每条观测线两端各设置一组（2个）固定点（如条件不具备，也可在一端设置一组3个固定点），固定点间距离为50m；固定点距采空区边界的水平距离应大于0.7H（H为开采深度）。观测点布置在两组固定点之间。

在黄土层覆盖较厚的地区采用长为0.6m 以上的螺纹钢钎底部焊接10cm×10cm 钢板底座，埋入地下后浇灌水泥砂浆作为监测点，螺纹钢钎顶部锯“十”字作为标志，标桩侧面或顶端用红油漆标出观测点点名。

2.5 测点数目及其密度

根据开采实际采深，选用地表移动观测站点间距为25m。在观测线工作长度以外设置观测站控制点。在观测站存在期间，以控制点的空间位置(x、y、z)作为观测站的起算数据，因此必须保证其坚固、稳定。为了保证观测资料的准确，必要时应对控制点的稳定性定期进行检测。控制点应埋没在观测线的两端，每端不少于两个，如因地形、地物等条件的限制，只能在观测线一端设控制点时，控制点不得少于3个。工作测点的外端点至控制点的距离及控制点间的距离为50m。

3 观测内容及方法

3.1 观测所使用的仪器及精度

地表移动观测站建立后，要分别进行与观测矿区控制网连测和全面观测工作，本次设计测量工作采用GPS静态测量方法，利用多台套双频GPS接收机进行测量工作，经测量软件解算，获取各观测点的三维坐标。

3.2 地表移动观测站观测内容及时间安排

地表移动观测站建立后即要进行观测，在开采过程中不同的时间内进行不同的观测内容，观测时间和次数可按采动前、移动初始期、移动活跃期和移动衰退期四阶段安排，具体见表2。

3.3 地表移动观测站连测、观测的方法及要求的精度

地表移动观测的基本内容是：在采动过程中用常规全站仪方法和GPS测量的方法，定期地、重复地测定观测线上各测点在不同时期内空间位置的变化。地表移动观测站的观测工作分为：观测站的连接测量、全面观测、单独进行的水准巡视测量、地表破坏的测定和编录。

表2 岩移观测表

3.3.1 连接测量

在观测站地区被采动之前，为了确定观测站与开采工作面之间的相互位置关系，应在观测站的某一个控制点与矿区控制网之间进行测量，以确定这个控制点的平面位置和高程，然后再根据它来测定其余的控制点和工作测点的平面位置。采用GPS 进行观测，用不少于五台套的静态GPS 接收机进行静态测量，按规程规定的E级网精度标准进行施测。

3.3.2 全面观测

为了准确地确定工作测点在地表移动开始前的空间位置，在与矿区控制网连测后、地表开始移动之前，对地表观测站的全部测点独立进行两次全面观测，两次观测的时间间隔不超过5d。独立进行的两次全面观测，两次测得的同一点高程差不大于10mm、同一边的长度差不大于4mm时，取平均值作为观测站的原始观测(又称初次观测)数据。同时，按实测数据将各测点展绘到观测站设计平面图上。

在地表稳定后，要进行最后一次全面观测，地表移动稳定的标志是：连续6个月观测地表各点的累计下沉值均小于30mm。

3.3.3 日常观测工作

日常观测工作，指的是首次和末次全面观测之间适当增加的全面测量工作，为判定地表是否已开始移动，在回采工作面推进一定距离(相当于0.2～0.5 平均开采深度H0)后，在预计可能首先移动的地区，选择几个工作测点，每隔几天用DS3型进行一次水准测量，按等外水准测量要求进行，如果发现测点的累计下沉量大于10mm时，即认为地表已经开始移动。

4 成果

4.1 地表移动变形观测及变形规律研究

观测站地处山区，地形条件复杂，观测难度较大，在工作面中布设了三条观测线，共进行了20 次观测，8308 回采工作面受地质条件限制下沉变化情况复杂，但取得了较好的观测成果。

针对走向和倾向三条观测线的静态及动态观测成果，对随工作面推进过程中的地表移动变形规律进行分析，基本掌握了忻州窑矿开采14-3#煤层的地表动态及静态变形规律。

4.2 实测地表移动变形参数

通过观测数据分析研究，分析研究了忻州窑矿开采14-3#煤层的地表动态及静态变形参数。

（1）实测地表移动变形最大值。实测地表移动变形最大值如表3所示。

（2）地表移动变形角量参数。依据忻州窑矿8308回采工作面地表移动观测站实测数据求取的山区移动范围角量参数和模拟求取的观测条件下移动范围角量参数如表4所示，地表最大下沉角值如表5所示。

表3 地表移动变形最大值

（3）移动变形过程参数。根据忻州窑矿8308 工作面地表下沉观测站实测资料分析可知本观测条件下求取的地表移动过程参数如表6所示。

最大下沉速度可按如下经验计算公式估算：

表4 移动范围角量参数

表5 地表最大下沉角值

式中：Wmax——移动期内的最大下沉值；

H——开采深度；

C——工作面的平均推进速度；

KV——系数，KV=1.29。

（4）概率积分法地表移动变形预计参数。根据8308 回采工作面实测资料，利用概率积分法模拟求参得到的最佳预计参数值如下。

表6 地表移动过程参数表

下沉系数：q=0.8

水平移动系数：b=0.17

主要影响角正切：tanβ=1.5

开采影响传播角：θ= 75°

拐点偏移距：Si=0.03·Hi

4.3 项目主要成果及研究意义

对忻州窑矿8308 工作面对应地面布设观测站，通过历时两年的20 次的外业观测，获取了一套较完整的沉陷观测成果数据，为准确获取沉陷规律及参数提供了数据准备。同时，结合忻州窑矿14-3#煤层特征及8308 工作面采矿地质条件，分析总结了忻州窑矿开采14-3#煤层的地表移动变形特点及静态和动态变形分布规律。通过研究获取了移动稳定后地表移动变形的分布及其主要参数：移动角、边界角、最大下沉角、超前影响角、超前影响距、滞后角及滞后距和地表最大下沉速度等。

通过岩移观测分析，为矿区解决开采损害问题及保护煤柱留设提供了技术参数，通过模拟分析对照实测结果，求取了概率积分法预计参数，并针对回采工作面进行了整体预计，预计结果也证明模拟参数的准确性和可靠性。