薄煤层综采地表移动变形规律研究

杨树才

(山西兰花集团 莒山煤矿有限公司，山西 晋城 048002)

对地表沉陷规律的观测与研究是开展“三下”采煤技术的基础[1-2]。自20世纪50年代以来，我国开展了一系列地表岩移观测工作，掌握了一般条件下的地表移动规律[3]。但随着煤层开采深度的逐渐增大，特别是随着综采技术的推广和普及，采动区地表的移动变形规律表现出新的特征[4-5]，因此，开展综采条件下地表沉陷规律研究就显得十分必要和迫切。

为系统掌握综采条件下地表移动变形规律和机理，莒山煤矿于2018年初建立了2306综采工作面地表岩移观测站，根据工作面开采进度进行了系统的观测及研究。本研究在对现场进行实地观测和资料分析的基础上，结合理论分析，求取了莒山煤矿特定地质采矿条件下的岩移参数和岩移角值，揭示了本矿薄煤层、综采条件下地表沉陷变形规律和机理，为莒山煤矿今后开展村庄下、铁路下、公路下采煤以及合理留设保护煤柱提供了科学依据，对提高煤炭资源回收率、增加可采储量、保持矿井高产高效，具有重要的战略意义。本研究对综采条件下矿区自然和生态环境的保护，缓解因开采损害及征地引发的工农矛盾，确保矿区经济的和谐发展具有重要意义。

1 试验工作面概况

莒山煤矿目前主采9号煤层，该煤层位于太原组三段下部，厚0.37～1.55 m，平均厚1.24 m，井田西南部煤层厚度最大，西北部煤层厚度最小，其煤层结构简单，含0～2层矸石。9号煤层距上覆3号煤层平均距离为54.36 m，顶板以泥岩、砂质泥岩、粉砂岩为主；底板多为泥岩，局部为砂质泥岩。

2306工作面位于9号煤层二采区南翼，该工作面东西向布置，采宽249.5 m(不含两巷)，推进长度约1 760 m，2306工作面巷道平面布置如图1所示。工作面从西向东仰斜推进，自2018年3月开始回采，至2019年7月回采结束，月推进距离约为114 m。

图1 2306工作面巷道平面布置

2 观测站建立与实测

岩层与地表移动过程十分复杂，受众多地质因素影响。目前，研究地表岩移最常用的方法是实地观测[6-7]。通过对观测资料的综合分析，找出各种因素对移动过程的影响规律，再运用这些规律解决开采沉陷中遇到的问题。

2.1 观测站布置

在2306工作面上方布设了A、B两条观测线。B观测线沿东西方向(即2306工作面走向方向)布设，A观测线沿南北方向(即垂直2306工作面走向方向)布设，两条观测线均设在地表移动盆地的主断面上，观测线的布设情况见表1和图2。A观测线布工作测点45个，编号为1～45，测线北侧设控制点3个，编号为R1、R2、R3，测线长度为1 264.2 m。B观测线布设工作测点41个，编号分别为46～86，观测线西侧布控制点3个，编号分别为R4、R5、R6，测线长度为1 104.9 m。

表1 2306工作面地表岩移观测站基本情况

图2 观测线布设示意

2.2 地表移动变形观测

结合2306工作面的开采规划和现场实地勘探情况，于2017年12月完成了2306工作面地表岩移观测方案设计，2018年2月完成了观测站测点的制造和埋设工作。2306工作面于2018年3月13日开始回采，开采9号煤，由西向东仰斜推进，至2019年7月16日，工作面回采结束，累计推进长度为1 760 m，一次采全高，全部垮落法管理顶板。

2018年3月26日—2019年10月29日，地表岩移观测站共进行了18次导线测量和18次水准观测，取得了大量的原始观测数据，为地表沉陷规律的研究打下了良好的基础。采动期间岩移观测情况如表2所示。

表2 2306工作面岩移观测情况

观测所用的主要仪器设备为：中纬ZT20R全站仪、中纬ZDL700电子水准仪。导线测量确定各测点的平面坐标，水准测量的测量精度为四等。各环节观测工作均符合《煤矿测量规程》及观测站设计说明书的要求。

3 地表移动变形参数及规律

3.1 地表移动变形参数确定

2306工作面自2018年3月开始回采以来，地表沉陷变形剧烈，在工作面上方出现了明显的下沉盆地，在工作面开采边界外侧，地表拉伸变形显著，地表裂缝发育(如图3所示)。通过现场调查发现，工作面巷道外侧约70 m范围内地表裂缝最为发育，密集区裂缝发育间距为10～20 m，裂缝最大宽度为70 mm，未发现明显的台阶下沉。该范围以外，裂缝密度、宽度明显减小，通常在30 mm以下，距离工作面最远的裂缝发育于运输巷北侧约175 m处；在下沉盆地中部，压缩变形明显，地表伴有轻微隆起现象(如图4所示)。

图3 开采边界地表裂缝

图4 下沉盆地中部地表压缩变形

基于上述计算方法，计算不同采动时期工作面上方地表的下沉、倾斜等变化值，得出了地表岩移观测站最大移动和变形值，如表3所示。

表3 实测观测站最大移动变形值

根据地表移动观测站的实测数据，采用曲线拟合法进行反复的求参计算，得到了应用概率积分法所需的主要参数，如表4所示。

表4 地表移动预计参数

3.2 地表移动变形规律

本区域的地表移动与变形呈现出以下特点：

1) 地表沉陷变形剧烈，变形分布集中。采空区上部地表下沉量大，而边界附近下沉量则迅速降低，地表移动变形较为集中，边界外下沉较平缓，收敛缓慢。

2) 地表下沉系数、主要影响角正切较大，拐点偏移系数略小。主要由于2306工作面推进速度快，覆岩离层、裂隙未得到充分发育，下沉值及下沉系数有所增大；开采期间覆岩在水平方向的移动明显滞后于竖直方向，致使采空区正上方沉降显著，开采边界以外下沉值较小，表现为主要影响角正切较大；拐点偏移系数小主要与工作面开采深度较大有直接关系。

3) 地表裂缝发育明显。现场产生了两种类型裂隙，一种是动态裂缝，在工作面前方动态拉伸区不断出现，间距通常为10～20 m，与回采线大致平行且呈弧状，裂缝宽度通常在5～20 mm之间，随工作面推进逐渐闭合。另一种是在工作面外侧地表拉伸区的固定裂缝，裂缝方向与采空区边界方向基本一致，宽度一般为20～40 mm，台阶状下沉不明显。

4 结 语

1) 根据莒山煤矿2306工作面地表实测数据，对试验段工作面地表下沉值、曲率等参数进行计算，采用曲线拟合法和理论分析，得出了地表下沉系数、水平移动系数、主要影响角正切等关键参数，测定地表移动总延续时间为388 d。

2) 揭示了莒山煤矿薄煤层、综采条件下地表沉陷变形规律与特点：地表下沉量大，下沉速度快，下沉盆地陡峭，变形分布集中。