大采高巨厚砾岩顶板跳跃式开采地表沉降规律的研究与应用

王宜清

（枣庄矿业（集团）济宁七五煤业有限公司，山东 微山 277606）

七五煤业隶属于山东能源枣庄矿业(集团)有限责任公司。矿区位于济宁市微山县欢城镇、夏镇和枣庄市滕州张汪镇的交界处，行政区划归济宁市微山县欢城镇、夏镇和枣庄市滕州张汪镇管辖。本井田东至滕州东预测区，西部与岱庄煤业、付村煤矿、三河口煤矿交界，南至微山勘探区，北与欢城煤矿和田陈煤矿毗邻。

七五煤业原为生产建设兵团设计生产能力10万t/a的矿井，1975年移交山东省劳改局（现山东省监狱管理局）后，改设计生产能力21万t/a，1979年1月正式投产。1984年改扩建为设计生产能力60万t/a，1992年达产。1992年10月，能源部将原属枣庄矿务局建设开发的滕南许楼区划为七五煤业开发后，再次改扩建为设计生产能力90万t/a，2002年矿井建设通过验收。2013年核定矿井年生产能力100万t。采用立井开拓，分两个区生产，即-95m水平和-624m水平。井田内地形平坦，大路纵横，村庄稠密。地势由东北向西南缓慢降低，地面标高由42.44m降至33.32m，地形坡度约千分之一，属滨湖冲积平原。根据区域地质资料和钻孔揭露资料分析，本井田内地层自下至上有奥陶纪马家沟群、石炭纪月门沟群本溪组、石炭～二叠纪月门沟群太原组、二叠纪月门沟群山西组、二叠纪石盒子群、侏罗纪淄博群三台组以及第四系。

1 矿山地质环境监测设计

1.1 监测网（剖面）布设原则

布设原则是沿采空区大体走向和倾向布设数条剖面监测线；实际监测中，为了便于各监测桩（钉）的保存，主要采用沿已有机耕道、乡间道路、公路进行线状布设进行监测。监测线的布设应同时结合监测区已存在的实际界线或地形地物特征，如地形地貌、地质界线、建筑布局以及道路设施等，监测线应以这些界线或地物特征作为监测线的组成部分或作为其重要补充。依据煤矿接续计划和已采工作面情况，在达到监测线精度要求的同时，遵循合理布设监测工作，尽量减少监测费用的原则。

1.2 监测点的选择及布设

根据采煤工作面展布方向、工作面长度、开采煤层深度、开采时间以及地面建构筑物等因素综合确定。本次设计在硬化路面采用监测钉，在非硬化路面上采用预制监测桩。在非硬化路面布设监测桩时尽量布设在电线杆、井房以及灌溉井旁，减少因农业活动对监测桩的影响。监测线两端各设置一处工作基点，各监测测点平均按点距50m布设监测工作量。

监测区位于北七采区内，该监测区主要是对2018~2021年计划开采的701、709、711、713和717工作面以及近期已采工作面进行监测，本次设计在该监测区内布设监测线5条QW04～08，测线总长度共约8.5km，工作基点9个。拟布设监测点164个，其中监测桩数量为20个，监测桩埋设间距约300m，其余144个监测点为监测钉或水泥钉，测点间距50m。

1.3 监测方案

1.3.1 坐标系统与高程基准

平面系统采用1980西安坐标系，高程系统采用1985国家高程基准。

1.3.2 监测要求

地表形变监测方法：地表移动观测的基本内容是：在采动过程中，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变化。地表移动测量工作包括：连续测量、全面测量及日常测量的地表变形的测定和编录。

1.4 监测工程实施

本次监测点采用预制水泥墩方式进行埋设，并在埋设时进行影像记录和点位记录。采空塌陷监测点观测桩结构及埋设图。

根据监测区实际情况，采空塌陷采用电子水准仪＋铟钢尺进行垂直形变监测，采用全球定位系统实时动态测量（RTK）技术和导线测量技术对采空塌陷进行水平位移监测。观测监测区整体的采空塌陷情况，可以在较大的空间区域内建立变形体间的关联性。

采用SDCORS网络RTK技术采集测区周边已有4个控制点。GPS卫星接收天线采用三脚架固定，每个控制点观测两次，每次观测15min，2次观测成果较差合格后取中数使用，然后采用TGO软件中点校正功能，求取测区七参数，校正后点位残差最大1.1cm，符合规范要求。利用SDCORS技术，输入求取的七参数，采集测区内控制点3个，经检核精度符合规范要求，可以使用。

采用SDCORS网络RTK技术，进行数据采集，每个观测点独立观测2次，每次观测数据均在30个历元以上，两次观测坐标互差不大于2cm，观测成果取其2次观测结果的平均数。基准点和工作基点共布设29个。本项目沉降观测起算点为PD23，水准等级为三等，其与基准点及工作基点形成闭合水准路线，并在沉降观测点观测时检查基准点及工作基点的稳定情况，确保沉降观测的基准点及工作基点的稳定和有效。基准点及工作基点设置完成，达到稳定后与起算水准点进行水准联测。

2 建（构）筑物变形监测

2.1 监测内容与方法

根据地面变形和地裂缝的发育和分布，对可能受其影响的建（构）筑物的变形情况进行巡视。对村庄建筑物墙壁开裂监测采用人工巡查、米尺丈量的方法进行。监测频率为1次/月，雨季及发现变形异常时须加密观测。

2.2 监测点的选择与布设

根据监测设计监测点布设情况，在全区布设地表变形影响监测点7处，监测点主要分布在井田内各村庄、道路等处，监测点已建设完成，与设计数量一致。

3 工作面地表变形概率积分法预计

3.1 工作面地表变形概率积分法预计

通过使用地表概率积分预计软件MSDFVS对701工作面条带开采的下沉值、水平变形值、水平移动值、倾斜值、曲率变形值进行了全盆地预计，得到了条带开采地表移动与变形值分布等值线图。

3.2 工作面实测数据与预计数据对比

701工作面的实测地表变形数据与预计数据如表1所示，并计算了二者相对误差。

表1 七五煤矿701工作面预计岩移参数表

从表2对比分析可知，相对误差均符合要求，下沉等值线图符合实际情况。

表2 预计下沉值与实测下沉值对比

4 结语

许楼新区315工作面岩移参数与701工作面岩移参数如表3所示。

表3 701、315工作面岩移参数对比分析表

（1）通过对比分析，许楼新区315工作面和701工作面下沉系数和水平移动系数值相差很小。这是由于七五煤业许楼新区315工作面和701工作面所处同一采区，所以具有相似的地表下沉规律。

（2）地表沉陷是煤层开采后覆岩移动传播到地表的综合表现形式，大体上可分为两类：一类是连续形变；另一类是非连续形变。地表形变量的大小和方向与矿层开采条件、覆岩性质和开采间隔时间密切相关，根据覆岩岩性结构组合和力学特征与矿层之间的时空关系，可以把上覆岩层分为4类：坚硬-坚硬型覆岩均为坚硬岩层，强度高，岩性致密且整体性好，矿层开采后覆岩不易垮落；软弱-软弱型，即整个上覆岩层皆为软弱岩层，矿层开采后覆岩移动在较短的时间内就能传播到地表；软弱-坚硬型(下部岩层为软弱岩层上部岩层为坚硬岩层)；坚硬-软弱型(下硬上软)。

研究表明微山湖矿区位于大范围巨厚坚硬砾岩层上方，砾岩厚度从100~300m不等，七五煤矿是微山湖矿区的重要组成部分，其3煤上方为均厚220m坚硬巨厚砾岩层，煤层开采过后出现一定程度采空区，由于工作面深度较大(700m)因而压力巨大，煤层开采后的采空区给岩层压力释放提供了空间，因此出现地表沉陷，然而坚硬且大面积连成片状的巨厚砾岩层承载住了绝大部分压力，同时由于砾岩层压力得到释放，会一定程度向采空区膨胀，膨胀到一定程度后会稳定下来，由于砾岩层的膨胀会导致其密度和承载来自地表压力的能力变小，因此地表出现一定程度的下沉，但其远小于其他煤矿采区下沉量。