晋城矿区分层开采地表移动实测规律研究

赵军伟

(晋能控股煤业集团 晋城煤炭事业部地质测量部，山西 晋城 048000)

重复开采是矿区较常见的生产方式，大量专家学者研究了其地表和岩层移动规律，取得了丰富成果。康新亮等[1]以镇城底矿南六采区下组煤首采工作面为例，通过设立地表移动观测站，得到观测站所在的28620 工作面重复采动的地表移动变形主要参数与规律。胡青峰等[2]以塔山煤矿8103和8104工作面的地质采矿条件为工程背景，分析了两煤层重复开采时覆岩沉陷规律、离层发育规律、煤柱群垮塌规律以及地表塌陷规律，揭示了该地质采矿条件下覆岩与地表沉陷机理。孙世国等[3]以马城铁矿为工程背景，采用有限元软件建立数值模型，研究多次重复开采影响下的覆岩移动规律及地表破坏范围。夏景超[4]研究了多次重复开采对巷道安全的影响及其控制措施。张阿鹏等[5]研究了重复开采下倾斜矿体覆岩非对称移动规律。叶永芳等[6]研究了巨厚覆岩下矿产重复开采地表沉陷预测及其控制技术。张广汉[7]研究了朱集东矿1111工作面重复采动地表观测数据，获得了地表移动规律。郭强[8]以陈家沟煤矿厚煤层分层综放开采为基础，应用FLAC数值模拟，分析了多区段分层错距下行式开采和区段分层下行式开采两种开采顺序的地表移动变形，并提出了地表沉陷灾害特征及防治措施。赵万库[9]分析了韩城矿区观测资料，分析对比了重复采动和初采的地表移动参数，获得了该矿区重复采动地表移动规律。周纵横[10]、刘振国[11]、王伟[12]以山区煤矿为背景，分析了重复采动条件下地表移动监测，规律等，取得了较好效果。

采用分层重复开采可以减小地表动态变形量，对地表构建筑保护有较好的效果，但国内相关研究较少。长期以来，晋城矿区也没有开展分层重复开采条件下地表移动实测研究，导致该工况条件下，地表移动规律不清楚，无法精准指导“三下”采煤生产。为了进一步获得分层重复采动条件下地表移动实测规律，本研究建立了地表移动观测站，得到了丰富的地表移动规律。

1 地表移动观测站设计与观测

坪上井田位于沁水盆地南缘，太行山南端西侧，地貌划属为侵蚀山地，以低山丘陵为主，沟谷发育，地形高低起伏不平，山顶多为黄土覆盖，沟谷内基岩裸露。开采二叠系下统山西组3号煤。2301工作面标高252～290 m。工作面走向(南北)长度1 020.56 m、倾向(东西)长度157.76 m、煤厚5 m，采用分层开采，上、下分层分别开采2.5 m。地表移动观测站位于开切眼一侧，根据实际地形和主断面位置布设，具体布设情况见图1。

图1 地表移动观测站布设平面图

上下分层开采时，为了保证前后数据的连续性，观测点号保持一致。上分层于2015年5月到2016年7月开采，下分层于2018年7月到2019年9月开采，观测时段与开采同期。

2 观测数据分析

观测区域局部地形起伏较大，在地形平坦的区域采用水准测量，在山腰、陡坡等区域采用RTK测量，共采集33期数据。

1) 下沉曲线分析。分别将上下分层采前点位高程作为基准，后期变化作为指标，获得观测站下沉曲线，列举具有代表性的5期下沉曲线，见图2。

图2 上、下分层开采下沉曲线图

由图2可知，上、下分层开采后形成的下沉曲线形态接近，但下沉值有较大变化。走向上、下分层开采最大下沉值分别为1 096 mm，1 771 mm。倾向上、下分层开采最大下沉值分别为778 mm，1 533 mm。重复采动比初采下沉值有大幅提高，提升值分别为走向675 mm，倾向为755 mm。分析其主要原因为，初采后岩层中存在大量空隙，在重复采动后闭合，导致地表沉降加剧。

2) 岩层移动角量参数分析。为了量化采动岩层移动范围，求解边界角、移动角。边界角确定了岩层移动的最外移动边界，移动角确定了岩层的危险移动边界。图3为上、下分层开采后，通过测点位置解算的边界角和移动角。

图3 上、下分层岩层移动角量参数分布图

从观测线断面图中分析，得到上、下分层开采后的岩层移动角量参数，统计结果见表1。

表1 岩层移动角量参数 单位：°

表1中，γ0为上山方向边界角；γ为上山方向移动角；β0为下山方向边界角；β为下山方向移动角；δ0为走向边界角；δ为走向移动角。表中数据表明，下分层重复开采后，角量值均增大，地表移动范围缩小。

3) 地表动态移动规律分析。地表某一点的下沉速度计算公式如下：

(1)

式中：wm+1为第m+1次测得的n号点的下沉量，mm；wm为第m次测得的n号点的下沉量，mm；t为两次观测的时间间隔；Hm+1为第m+1次测得的n号点的高程，mm；Hm为第m次测得的n号点的高程，mm。

在采动过程中，地表各点的下沉速度并不相等。将地表沿某一方向上各点的下沉速度绘制成曲线，称为下沉速度曲线，列举地表移动较活跃的5期下沉速度曲线图，见图4。

图4 上、下分层开采地表下沉速度分析图

从图4可得到各个测点在不同观测时期的下沉速度。通过对比可知，上分层开采走向最大下沉速度为40 mm/d，倾向为30 mm/d；下分层开采走向最大下沉速度为82 mm/d，倾向最大下沉速度62 mm/d，下层重复采动的最大下沉速度为上层采动的2倍。

4) 开采沉陷预计参数对比分析。通过最小二乘拟合法，求取了上、下分层开采概率积分法预计参数，见表2。

表2 概率积分法预计参数

表2中，q为下沉系数；θ为开采影响传播角；α为煤层倾角；tanβ为主要影响角正切；S为拐点偏移距；b为水平移动系数；H0为平均开采深度。下分层重复开采后，下沉系数与主要影响角正切显著增加，分别为上层开采的1.28与1.37倍。

3 分层重复开采地表移动机理分析

移动变形值增大的原因是岩层受到上分层初次采动后在垮落带和裂缝带内有许多空隙，这些空隙在重复采动作用下，有一部分转化为地表下沉。所以，把初次采动后岩体内的这些空隙称为“潜在下沉”。在重复采动作用下，这种“潜在下沉”被重新“活化”而下沉，从而加剧了岩层和地表移动与变形。

4 结 语

本文从实测角度，详实地研究了分层重复采动条件下的地表移动规律，得到以下结论：

1) 分层重复开采工况下，上层初采地表下沉值小于下层复采地表下沉值，相同采厚情况下，复采下沉值提升量约为分层采厚的0.28倍。

2) 复采后，岩层移动边界角与移动角均增大，地表移动范围缩小。主要原因是复采时岩层移动更容易发生在初采造成的破碎岩体中，且岩层移动范围没有增加。

3) 初采造成的破碎岩体在复采作用下更容易垮落下沉，复采最大下沉速度约为初采的2倍。复采后概率积分法预计参数中的下沉系数和主要影响角正切约为初采的1.28与1.37倍。

本文获得的参数和规律可对类似地质采矿条件提供技术支持。