近水平煤层开采地表岩移特征分析

耿春喜

(山西潞安集团 左权阜生煤业有限公司，山西 晋中 032600)

煤炭资源一直是我国能源结构中的主要组成部分，为经济发展起到了重要的带动作用[1]。然而随着矿井开采的范围扩大，采动岩移问题日益突出[2-4]。因此，对于岩层与地表移动特征的研究是安全开采和预留合理保护煤柱的必要保证[5-6]。

在这方面的研究中，杨树才[7]采用现场实测、理论分析方法对厚煤层开采引起的地表移动情况进行分析，指出在采面回采过程中地表移动变形呈现渐变趋势；李保学[8]采用快速静态法提高RTK测量精度,解决了复杂区域煤矿开采工作面地表岩移观测的技术难题；相涛等[9]通过在地表布设岩移监测站，计算出了地表移动参数，并根据监测数据绘制的下沉曲线得到开采工作面的地表移动角值；张德民等[10]通过观测与研究，揭示了在煤层埋藏浅、开采厚度大、推进速度快的开采条件下的地表下沉盆地的分布形态，为合理留设煤柱及指导地表搬迁提供了可靠依据。

为此，本文在上述研究成果的基础上，以某矿近水平煤层开采为工程背景，采用现场监测方法对开采过程中地表岩移特征进行了分析，为矿山安全高效开采提供借鉴与指导。

1 工程地质概况

某煤矿为典型的黄土高原地貌，主采5号煤层85201工作面，煤层倾角0.1～0.7°，呈阶梯状发展，平均厚度达6.65 m，在煤层中,下侧含有厚度约为0.15 m的夹矸。煤层顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板情况

矿山采用平硐+斜井联合开拓方式，综采长壁式采煤工艺。胶运巷、辅运巷和回风巷采取集中布置方式。煤层上覆基岩厚度一般在80～180 m，黄土层厚度在30～100 m范围，由于地表湿陷性黄土层的厚度大、垂直裂缝发育，地表沉陷范围不断加大。

2 地表岩移监测方法

针对该矿地表岩移监测需要，研究采用剖面线观测站布置方式，在主断面上(倾斜与走向)方向上布点成直线竖直交错。

走向监测线(B线)布置长度由公式(1)确定：

L≥2(H0-h)·cot(δ-Δδ)+2hcotφ

(1)

式中：H0为工作面平均开采深度，取250 m；h为松散层厚度，取50 m；δ为走向移动角，取 62°；Δδ为走向移动角的修正值，取20°；φ为松散层移动角，取45°。

将相关参数带入公式(1)，计算得到走向监测线长度为236.1 m，根据现场地表地形条件，最终确定走向监测线长度为240 m。倾向监测线(A线)与走向监测线垂直相交，监测范围应覆盖到整个地表岩移带，通过计算确定为308.7 m，最终确定倾向监测线长度为310 m。

假定倾向监测线距离工作面切眼的距离为D，应满足以下关系：

D≥2(H0-h)·cot(δ-Δδ)+hcotφ

(2)

将相关参数带入公式(2)，计算得到D≥148.9 m，由于地形影响，D=150 m。通过计算分析，沿走向共布置25个监测点，编号B1～B25。沿倾向共布置32个监测点，编号A1～A32，测点监测点平均间距10 m，监测点布置情况见图1。

3 地表岩移特征分析

3.1 地表沉降特征

对于倾向地表沉降，主要表现为单沉降中心发展特征，位于采空区正上方，采空区边缘位置总体沉降值较小。当工作面回采60～90 m时，产生单次最大沉降值，约为0.75 m；随着回采的进行，位于采空区上部测点A12位置发生了沉降反弹现象，表明倾向地表沉降具有突变特性。当工作面回采超过180 m时，地表沉降逐渐趋于稳定，最大沉降值发生在测点A16位置，约为3.52 m，表明此时顶板已充分垮落，不会发生大的沉降风险，总体显著沉降范围约为180 m。

对于走向地表沉降，随回采工作面推进，地表沉降表现为缓慢—快速—缓慢增长趋势，并且增长趋势后期逐渐放缓。工作面回采至90 m时，表现为单沉降中心发展，此时最大沉降值发生在测点B14位置，约为2.72 m；随着回采的进行，在测点B15位置出现了反弹现象，当工作面回采150 m时，位移第一个沉降中心前方约60 m位置再次出现显著的沉降发展；当工作面回采210 m时，产生次级沉降中心，此时最大沉降值约为3.76 m，随着后续回采的进行沉降发展趋于稳定，两个沉降中心的最大沉降值分别为4.87 m与3.96 m，总体显著沉降范围超过了180 m。

综合分析，地表沉降发展主要表现为缓慢—快速—缓慢增长趋势，在开采中心区域地表沉降最大，走向最大沉降值明显高于倾向方向，沉降具有突变性；在走向上会出现次级沉降中心，变现为双沉降中心发展特征，随着后续采矿的进行，需重视走向方向地表沉降对地表设施的影响，预防再次产生新的沉降中心。

3.2 地表水平位移特征

对于倾向地表水平位移，主要呈现正弦变化特征，采空区中心区域附近水平位移最小，位移零点位于测点A17～A18之间，即这个位置主要为竖直沉降，位移最大值出现在两侧巷道附近，两巷道附近的水平位移均朝向采空区中心位置发展是位移呈现正负值变化的主要原因。随着回采的进行，水平位移由快速增加至趋于稳定，水平位移最大值出现在测点A12与测点A21位置，分别为-2.15 m与1.26 m，前者约为后者的1.7倍，随着井下回采工作面的推进，采空区后侧远端的水平位移要高于近端的水平位移值。

对于走向地表水平位移，不同于倾向地表水平位移特征，走向地表水平位移主要沉降区呈现正负交替发展趋势，开采后期以正值发展为主。主要原因在于，空间分布上工作面未到达测点所在位置时，受岩移角的影响，地表水平位移朝向切眼位置发展，此时水平位移变现为负值；当工作面超过测点时，地表水平位移朝向采空区中心位置发展，此时水平位移表现为正值。水平位移最大值发生在测点B14(采空区中心区域)，约为2.75 m。

3.3 地表倾斜特征

对于倾向地表倾斜，总体上呈现正弦变化特征，主要由采空区两侧向采空区中心区域发展，表现为正负变化，其中，在测点A11附近出现了突变情况。在采空区中心及沉降边缘区域倾斜值较小，在巷道附近倾斜值变化较大，随着地表沉降趋于稳定，最大倾斜值出现在测点A12与A22位置，分别46.23 mm/m和-41.54 mm/m。

对于走向地表倾斜，总体呈现正负交替发展。受地形条件的影响，地表倾斜值要比倾向地表倾斜值大得多，随着回采后期地表沉降趋于稳定，最大倾斜值出现在测点B8与B17位置，最大倾斜分别为81.67 mm/m与60.53 mm/m，走向最大倾斜约为倾向的2倍。

4 结 语

1) 地表沉降发展主要表现为缓慢—快速—缓慢增长趋势，在开采中心区域地表沉降最大，走向最大沉降值明显高于倾向方向，沉降具有突变性，总体沉降范围超过了180 m；在走向上会出现次级沉降中心，变现为双沉降中心发展特征，需重视走向方向地表沉降对地表设施的影响。

2) 倾向地表水平位移呈现正弦变化特征，采空区中心区域水平位移最小，最大值出现在两侧巷道附近，分别为-2.15 m与1.26 m；走向地表水平位移主要沉降区呈现正负交替发展趋势，开采后期以正值发展为主，水平位移最大值约为2.75 m。

3) 倾向地表倾斜总体上呈现正弦变化特征，主要由采空区两侧向采空区中心区域发展，存在突变现象，在采空区中心及沉降边缘区域倾斜值较小；走向地表倾斜总体呈现正负交替发展，最大倾斜约为倾向的2倍。