金辛达煤业201 工作面地表岩移规律实测研究

2023-05-30高刚刚

煤炭与化工 2023年4期

高刚刚

（山西焦煤汾西矿业集团金辛达煤业，山西临汾 041000）

煤炭的开采会造成其围岩及地表的移动和变形，解决矿区开采沉陷问题，是煤矿绿色开采的必要环节。各矿区的围岩及地表移动规律具有其地区特征，生产矿井要解决好建筑物下、铁路下、水体下安全、合理地开采煤炭和留设保护煤柱的问题，必须开展地表和岩层移动的观测工作，掌握地表和岩层移动的基本规律。目前，建立地表移动与变形观测站进行现场观测，是进行此项工作最为有效的方法。为有效地保护地表建筑物免受破坏，获取矿区地表的移动变形规律，合理地留设矿区建筑物保护煤柱，在金辛达煤业201 工作面上方地表设计建立剖面线形式的开采沉陷观测站，通过监测其变形破坏，研究金辛达煤业采煤引起的地表移动变形和破坏规律，分析开采对地面建筑物的影响破坏情况，保证煤矿生态环境和周边建筑的安全，实现煤矿的可持续发展。

1 概况

1.1 井田概况

金辛达煤业位于吕梁山南段东侧，山高沟深，地形复杂，森林、植被发育，最高点在井田北西部的山梁，标高1 420.5 m，最低点位于西部西沟村河床，标高1 182.0 m，相对高差238.50 m，属中山区。井田交通便利，地处山西省西部，主采煤层为2 号煤和11 号煤。目前主要采掘区域为201 工作面，回采煤层为2 号煤层。采掘区域上方存在山谷地形，井田内工作面的采动会破坏覆岩的自然特征，存在沟通顶板局部富水区域和地表水体的危险，随着时间的推移在回采工作面形成采空区后也会造成一定的地表岩移，致使地表不均匀沉降而发生变形，对地面的设施和建筑物构成巨大的威胁。

1.2 201 工作面基本情况

201 回采工作面位于井田北部，地面相对位置是山脉和沟壑，工作面回采1 886 m 处地面为狼凹村，如图1 所示。地面标高为+1 279—+1 402 m，工作面对应地面整体地势中间高两边低。

图1 201 工作面采掘工程平面示意图Fig.1 The plane of mining and excavation engineering in No.201 face

根据201 辅运、胶带顺槽、切眼掘进期间实际揭露情况可知，201 工作面煤层总厚0.9～1.2 m，平均厚度1.1 m；煤层倾角0～3°且起伏相对较缓。2 号煤顶板岩性如图2 所示，煤层顶板的岩性及胶结情况直接影响到其对应地表的移动和沉降。

图2 201 工作面煤层顶板情况示意Fig.2 No.201 face coal seam roof situation

1.3 工作面地质构造现状

201 工作面实际揭露的地质构造现状如下。

1.3.1 工作面褶曲地质构造情况

回采到1 952 m 处遇S1 背斜轴，位于井田西北部，JX101 号孔北东部40 m 处，轴向N55°W～N45°W，两翼基本对称，地层倾角7°～11°，井田内延伸长度约2.0 km，轴部出露地层为P2s1，影响程度281 m。

1.3.2 工作面断层地质构造情况

工作面回采期间揭露201 胶带顺槽9 条断层，分别为F2-48、F2-47、F2-45、F2-44、、F2-43、F2-42、F2-38、F2-39、F2-28；揭露201 辅运顺槽12 条断层，分别为F2-11、F2-54、F2-53、F2-52、F2-49、F2-44、F2-42、F2-41、F2-40、F2-38、F2-37、F2-36；揭露201 切眼3 条断层，分别为F2-55、F2-56、F2-57，未发现新增断层和其它隐伏地质构造。

1.3.3 工作面陷落柱地质构造情况

201 辅运顺槽掘进期间揭露1 个陷落柱，其内岩石杂乱无序，一般胶结较致密，岩性多为泥岩、砂质泥岩、砂岩及煤屑或煤块等。实际揭露该陷落柱均干燥无水，且不导水。工作面回采到797.5 m处201 辅运顺槽揭露该陷落柱X2-02，长轴23 m，短轴15 m，经钻探验证向工作面内延伸4 m。

背斜构造类似拱桥的形状，能承受较大的负荷，背斜构造的存在可使地表发生的移动和沉降幅度减小；断层和陷落柱破坏了岩层的延续性，降低了岩石的强度，在地表移动和沉降的过程中容易引起应力集中反应，致使地表沉陷的幅度变大。

2 回采对地表的影响分析

201 工作面开采标高1 043—1 149 m，煤层埋深160～310 m。结合《矿井水文地质类型划分报告》中2 号煤层煤层垮落带（Hm）、导水裂隙带（Hli）最大高度计算公式计算：

经计算，2 号煤开采后垮落带高度为3.27～7.67 m，导水裂隙带高度为18.37～29.57 m，增加地表基岩风化带50 m，预计开采2 号煤层影响最大高度87.27 m，预计开采时对地表无明显影响。但由于其它地质因素分析，201 工作面开采后可能会造成地表一定的移动和下沉变形，主要表现为引起地表出现裂缝及下沉，应加强地面日常观测和维护持续跟进。

3 201 工作面地表岩移规律观测

地表及岩层的移动规律在矿井设计、矿产资源合理开采及环境综合治理方面起着十分重要的作用，因此，为了获得2 号煤层地质采矿条件下开采时地表与岩层移动变形规律，为今后指导生产和采煤沉陷治理工作提供依据，设置地表移动观测站并对201 工作面开展地表岩移观测研究。

3.1 观测站的设置

根据矿井地面和井下的实际情况，将观测站设置成规则观测线。根据岩移规律，水平煤层开采地表形成的下沉盆地具有对称的特点，当工作面走向长度大于0.9 倍平均开采深度可只设半条走向观测线，201 工作面平均煤厚1.1 m，回采率为95%，走向长度270 m，大于0.9 倍开采深度216 m，因此只布设半条走向观测线。

观测线边界点A 和B 确定。如图3 所示，从采空区上山或下山边界作与水平线成52°的直线，至冲积层下边界，再以45°画直线，至地表相交得A 点和B 点；由采空区上山或下山边界起，向上（地表方向）作垂直线交于地表C 点和D 点。AC 边即L1=189.7 m，BD 边即L3=189.7 m。L1、L3 即为所求观测线离开开采边界的距离（边界点的位置）。

图3 观测线长度计算示意Fig.3 The diagram of observation line length calculation

依据上述方法，结合201 工作面设计长度，确定201 工作面布置测线长度为649.4 m。

如图4、图5 所示，此次共布设观测线2 条（走向方向、倾向方向），共布设观测点68 个，其中走向线、倾向线各布置34 个。两观测线大致互相垂直，测点从移动盆地中央开始向两边的移动边界布置，根据地表形态不同，点间距20～50 m。

图4 201 工作面地表与岩层移动观测站设计平面示意Fig.4 The plane of surface and rock movement observation station design in No.201 face

图5 201 工作面观测线剖面示意Fig.5 The observation line profile of No.201 face

3.2 观测方法及内容

观测站建立完毕后进行观测，观测方式为测点高程。在观测站地区被采动之前，为确定观测站与开采工作面之间的相互位置关系，在观测站的某一个控制点与矿区控制网之间进行测量，确定这个控制点的平面位置和高程，再根据它来测定其余的控制点和工作测点的平面位置。

3.2.1 观测所用仪器及类型

地表移动观测站建立后，分别进行与观测矿区控制网连测、全面观测等测量工作，使用的仪器及测量内容见表1。

表1 地表变形观测站所使用的仪器及测量内容Table 1 Instruments and measurement contents used in surface deformation observation station

3.2.2 观测工作

首先，根据矿区地面控制网，按近井点的要求测量控制点、水准基点的平面坐标及高程，然后进行全面观测。

全面观测是观测站观测工作的核心，在工作面回采前、回采过程中及回采工作结束后地表移动已稳定等各种不同阶段，均需进行全面观测。

（1）初始全面观测。

根据《煤矿测量规程》规定，初始全面观测应在测点受采动影响之前进行，一般在测点埋设好以后半个月左右，初始全面观测应进行两次，两次观测的时间间隔不应超过7 d，每次观测应按下列要求进行。

①各控制点和工作测点的高程测量组成网状，按三等水准测量的要求进行，考虑到山区地形复杂，可采用三角高程测量，往返观测取均值，单向观测时加入大气折光改正。最终平差后求得各点的高程。

②在测站点上安置全站仪，按一级导线要求对邻近工作测点进行观测，每个工作测点在2 个不同的测站位置进行观测，取其平均值作为观测结果。

两次测量同一个点的高程相差不大于10 mm，取其平均值作为原始数据；由两次测量的坐标所计算的测边边长相差不大于4 mm，计算两次坐标的平均值作为原始数据。

（2）回采过程中的全面观测。

回采过程中进行数次全面观测，控制在1～2个月一次，每次观测要求如下。

①各测点的高程测量采用单程闭合路线或往返测支水准路线，按四等水准测量的要求进行，所有测点的高程测量在1 d 内完成。

②因测站点位于地表与岩层移动和变形区内，在进行工作测点坐标测量前按四等控制测量要求进行测站点与控制点间的联测，确定测站点的坐标，作为计算其它工作测点坐标的起算数据。然后在测站点或控制点上安置全站仪，对邻近的工作测点进行观测，每个工作测点仅需在一个测站位置上进行一次观测。测站点与控制点的联测和工作测点的观测在1 d 内完成。

（3）回采工作结束，地表移动稳定后的全面观测。

工作面回采结束、地表移动稳定后均应进行1次全面观测，要求如下。

①各工作测点的高程测量应组成网状，按三等水准测量的要求进行，经平差后求得各点的高程，作为观测站最后一次观测结果。

②在测站点上安置全站仪，按一级导线要求对邻近工作测点进行观测，每个工作测点要求在2 个不同的测站位置进行观测，取计算结果的平均值作为观测站最后一次观测结果。

全面观测时间：①埋点10～15 d 后进行2 次；②当地表下沉达到50～100 mm 时应开始进行采动后的第一次全面观测（只观测高程）；③工作面推过其二分之一距离后，应进行一次全面观测；④工作面开采结束后，应进行一次全面观测；⑤移动盆地范围内工作测点因采动引起的移动停止后（工作测点在6 个月内下沉量不大于30 mm 时），进行最后一次全面观测。

依照以上观测方法每月进行一次下沉量变化的观测，累计观测了19 次，采动前观测1 次，采动期间观测8 次，采动后观测10 次，见表2。

表2 地表观测站观测内容一览Table 2 The list of observation contents of surface observation stations

3.3 观测成果分析

201 工作面岩移观测最大下沉量见表3。201工作面开始推进1 050 m 时地表沿走向、倾向出现移动，工作面开始回采到地表开始下沉的时间为5个月。当工作面推进至1 450 m 处位于走向观测点25 号点最大下沉量为431 mm、倾向观测点15 号点下沉量为432 mm，分析地表开始下沉至地表下沉稳定周期为2～3 月。工作面回采期间，连续稳定观测12 次，地表处于稳定状态。