巨厚表土层下开采沉陷规律实测研究

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[摘 要]为研究许疃矿区地表移动变形规律，在82首采区建立了地表移动观测站。以实测数据为基础，通过分析获得了许疃矿在巨厚表土层下开采煤层地表移动的动静态规律，求得了相关动态参数和静态参数；获得了本区巨厚表土层充分采动条件下的地表沉陷规律、相关角值参数和概率积分法预计参数；为矿区今后“三下”压煤开采和保护煤柱留设提供了科学依据。

[关键词]巨厚表土层；观测站；地表移动；变形；参数；规律；

中图分类号：P171.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0207-02

淮北矿业集团许疃煤矿地处安徽蒙城境内，为了研究本地区地表移动变形规律，为本矿区今后“三下”压煤开采和保护煤柱留设提供基础数据，与中国矿业大学合作，于2004年～2007年，在首采面7126工作面上方建立了地表移动观测站，获得了一些观测成果[1]。由于7126工作面属不充分采动，许疃煤矿决定在相邻的7128工作面建立地表沉陷观测站，并尽量利用7126观测站的测点，以研究充分采动条件下本区岩移的真实参数。

1 矿区及观测站基本情况

1.1 地质采矿条件

7128综采工作面位于许疃矿工广西北方向、许疃镇的东南，工作面上方地表地势平坦，地面标高在+26.0m左右，。地表为农田、村庄，工作面东部为一近南北向的白马河及矿区铁路专用线。7128工作面开采71煤，工作面标高为-460～-480m。上边界采深H1=486m，下边界采深H2=506m，平均采深H0=496m。工作面煤层结构简单，煤层平缓、倾角平均为10°，采用综采方式开采，日推进4米左右。该区表土层厚度约为345m，属于巨厚表土层地区。

1.2 地表移动观测站情况

7128观测站实际布设一条全倾向观测线和一条半走向观测线，观测站测点间距设计为25米。全倾向观测线呈伪倾斜布置，主要沿乡间小路布置，主要测点依次为：1～21、Y1～Y8、S1～S43；共计72个测点。半走向观测线布置在停采线一侧。由采空区之外向内测点编号依次为：Z1～Z40，共计40个测点。

观测站自2007年12月18日至2009年12月26日共观测14次。观测站平面位置测量采用DTM-352C全站仪，高程测量采用B1C精密水准仪配铟钢水准尺，观测站的观测工作按《煤矿测量规程》的精度要求进行。

7128工作面及观测站测点布设情况见图1。

2 地表移动变形动态规律

2.1 倾向线地表移动变形动态规律

图2给出了倾向线动态下沉曲线，共计11次。图中横坐标为点号，由下山向上山方向编排，依次为：1-21、Y1-Y8、S1-S43；纵坐标为下沉值，单位mm。

从图2可以看出，随着工作面的推进，地表下沉逐渐增大，不存在突变；对照图1可见，在采空区中心附近，下沉值最大，向两侧边界煤柱外下沉逐渐减小至零，下沉曲线与开采地表移动一般规律相符[2-4]。

2.2 走向线地表移动变形动态规律

通过计算，可以获得走向线地表下沉、倾斜、曲率和水平移动、水平变形的动态曲线。走向线各变形曲线由工作面边界向采空区中央方向，即由Z1点向Z40点方向绘制。

图3给出了走向线动态下沉曲线，图中横坐标为测点号，1～40号点对应测点为Z1～Z40，纵坐标为下沉值，单位mm。

从图3可以看出，随着工作面的推进，地表下沉曲线也逐渐增大，下沉范围逐渐扩大，符合开采沉陷一般规律。最终下沉在采空区内下沉最大，向边界外下沉逐渐减小至零。

3 地表移动变形动态参数

3.1 超前影响角及超前影响距

在7128工作面上超前影响距的计算方法如下：在走向线各次观测下沉值数据中，选择或内插下沉为10mm的点，在图上量取工作面到点的距离，即为每次观测时间的超前影响距。见表1。由表1中数据可见超前影响角为61.40～69.00，平均66.20。

3.2 地表移动持续时间、最大下沉速度及滞后角和滞后距

移动持续时间应根据地表最大下沉点求定，因为在移动盆地内各地表点中，地表最大下沉点的下沉量最大，下沉的持续时间最长。

在倾向线上，S3点的下沉值最大，在走向线上，Z39点的下沉值最大。

根据实测数据，可以绘制倾向线s3点下沉速度曲线和下沉过程曲线.通过绘图和计算可得：倾向线最大下沉点s3点开始阶段约12天，活跃阶段约147天，衰退阶段约330天；地表移动持续总时间为489天。S3点的最大下沉速度为13mm/d，最大下沉速度滞后距为35m，滞后角为：φ=85.96°。

采用上述方法处理走向Z39点实测数据。通过绘图和计算可得：走向线最大下沉点z39点开始阶段约13天，活跃阶段约185天，衰退阶段约278天；地表移动持续总时间为476天。Z39点的最大下沉速度为11mm/d，最大下沉速度滞后距为80m，滞后角为：φ=80.8°。

综上所述：7128工作面开采后，地表移动开始阶段平均为13天，活跃阶段平均为166天，衰退阶段平均为304天；地表移动持续总时间平均为483天。地表最大下沉速度平均为12mm/d，最大下沉速度滞后距平均为58m，最大下沉速度滞后角平均为：φ=83.4°。

大量实测资料表明，地表最大下沉速度与地表最大下沉值、开采深度、覆岩性质以及工作面推进速度有关，其经验公式为：

其中：K为下沉速度系数；Vmax为最大下沉速度，mm/d；H0为平均采深，m；c为工作面推进速度，m/d； Wmax为本工作面的地表最大下沉值，mm。

工作面平均推进速度为4.0m/d，观测站下方平均采深496m，最大下沉值1305mm，最大下沉速度13mm/d，通过计算得：下沉速度系数K=1.24。

4 地表移动变形静态参数

4.1 边界角

边界角是由下沉10mm的点确定的。由于本区没有松散层移动角资料，故下面所求的边界角均为不考虑松散层情况的综合边界角。

1）上山综合边界角：由于临近工作面的残余下沉影响，7128观测站上山方向许多点下沉均大于10mm，故7128上山综合边界角无法求取。

2）下山综合边界角：根据真倾向下沉曲线实测值，下山方向下沉为10mm的点在6点附近，结合图1，该点距工作面下边界平距为492m，倾向线下边界处采深约为506m，则下山综合边界角β0综 =45.80。

3）走向综合边界角：根据走向最终下沉曲线，最终走向方向直至Z1点下沉均大于10mm，无法获得走向边界角。

最终走向方向直至Z1点下沉均大于10mm的原因分析：7128走向线Z1等点受到邻近工作面的残余下沉影响，故这些点的下沉均大于10mm。

4.2 移动角

所求的移动角均为不考虑松散层情况的综合移动角。

1）上山综合移动角：根据真倾向倾斜数据，上山方向倾斜为3mm/m的点在S14附近，结合图1及内插计算，该点距工作面上边界平距为152m；上山方向曲率均小于0.2mm/m2；上山方向水平变形为2mm/m的点在S20点附近，该点距工作面上边界平距为256m。综上所述，取上山危险移动距离为256m，倾向线上边界处采深为486m，则上山综合移动角γ综 =62.20。

2）下山综合移动角：根据真倾斜曲线图2，下山方向倾斜为3mm/m的点在20点附近，结合图1及内插计算，该点距工作面上边界平距为170m；下山方向曲率均小于0.2mm/m2；下山方向水平变形为2mm/m的点在15点附近，该点距工作面下边界平距为282m。综上，取下山危险移动距离为282m，倾向线下边界处采深为506m，则下山综合移动角β综 =60.80。

下山综合移动角比上山综合移动角略小，上、下山移动角平均为61.50。

3）走向综合移动角：根据走向倾斜曲线，走向方向倾斜为3mm/m的点在17-18点之间，结合图2-1及内插计算，该点距工作面边界平距为30m；走向方向曲率均小于0.2mm/m2；走向方向水平变形均小于2mm/m。故无法求取走向综合移动角。

4.3 地表移动变形最大值

根据观测数据确定的倾向和走向观测线的地表移动变形最大值见表2。

从表中可见，倾斜和走向最大下沉值相当，倾向线最大倾斜、曲率、水平移动和水平变形明显大于走向线。

最终确定的7128开采后地表移动变形最大值为：下沉1305mm，倾斜7.4mm/m，曲率为-0.15～+0.16mm/m2，水平移动518mm，水平变形-8.2～+3.8mm/m。

5 联合7126观测站总体分析

5.1 边界角及移动角

7126倾向线利用了7126观测站的测点，以研究充分采动条件下本区岩移的真实参数。实际利用的7126观测站的测点有：Y1～Y8、S1～S43。

通过处理，可以获得7126、7128面开采引起的倾向线总的下沉曲线和水平移动曲线，图中横坐标为点号，依次对应Y1～Y8、S1～S43等点。

根据观测数据，可以获得接近充分采动条件下的倾向观测线地表移动变形最大值，见表3。

由总的移动变形曲线，可以获得本区充分采动条件下的上山综合边界角和上山综合移动角：

1）上山综合边界角：边界角是由下沉10mm的点确定的，根据下沉曲线，观测站上山方向下沉10mm在s38点附近，该点距7126工作面上边界平距为368m，7126工作面上边界处采深约为446m，则上山综合边界角γ0综 =50.40。

2）上山综合移动角：根据真倾向倾斜曲线，上山方向倾斜为3mm/m的点在s25附近，该点距工作面上边界平距为154m；根据曲率曲线图，上山方向曲率为0.2mm/m2的点在s23附近，该点距工作面上边界平距为116m；根据水平变形曲线图，上山方向水平变形为2mm/m的点在s31点附近，该点距工作面上边界平距为256m。取最大值256m，7126工作面上边界处采深为446m，则上山综合移动角γ综 =600。

5.2 边界角及移动角对比分析

将以前7126面观测站[1]、本次7128面观测站、联合考虑7128和7126面获得的边界角、移动角汇总如下：

1）7126面

上山综合边界角γ0综 =52.7°，下山综合边界角β0综 =48.1°。

上山综合移动角γ综 =68.7°，下山综合移动角β综 =66.4°，下山综合移动角比上山综合移动角略小，上、下山移动角平均为67.5°。

2）7128面

下山综合边界角β0综 =45.8°；

上山综合移动角γ综 =62.2°，下山综合移动角β综 =60.8°，下山综合移动角比上山综合移动角略小，上、下山移动角平均为61.5°。

由以上角值对比可见，7128面边界角、移动角均小于7126面，这是由于7126面周围没有开采、属初次采动、开采不充分的缘故。

3）联合考虑7128和7126面

本区接近充分采动条件下的移动角值为：上山综合边界角γ0综 =50.4°，上山综合移动角γ综 =60°。

6 概率积分法参数计算

下面对7128+7126面倾向线总体观测成果进行求参[5]。

1）按下沉求参

给出了7126+7128总的下沉按下沉求参效果，得预计参数为：下沉系数q=1.10，主要影响角正切tgβ= 1.62，开采影响传播角θ= 88°= 900-0.25α，上山拐点偏移距s=0m=0.0H，下山拐点偏移距s=19 m=0.038H。

2）按下沉和水平移动联合求参

给出了7126+7128依据总的下沉和水平移动、按下沉+水平移动联合求参效果图。从图中可见，拟合效果较好，其求得的参数为：下沉系数q= 1.12，主要影响角正切tgβ= 1.6，开采影响传播角θ= 88°= 900-0.25α，水平移动系数b=0.35。上山拐点偏移距s=0m=0.0H，下山拐点偏移距s=10 m=0.02H。

根据以上求参结果，结合7126观测站成果，通过综合分析，最终确定按实际采厚2000mm拟合求参的情况下，概率积分法预计参数为：下沉系数q=1.1，主要影响角正切tgβ= 1.70，水平移动系数b=0.35，开采影响传播角θ= 900-0.25α，拐点偏移距平均为s=0.025H。这里下沉系数大于1，与本区厚表土层失水、固结沉降等有关。

7 结论

通过对许疃煤矿7128综采工作面地表移动观测站大量实测资料的整理、计算和分析，获得以下主要结论：

1）7128工作面超前影响角平均为66.2°；地表移动开始阶段平均为13天，活跃阶段平均为166天，衰退阶段平均为304天；地表移动持续总时间平均为483天。地表最大下沉速度平均为12mm/d，最大下沉速度滞后角平均为=83.4°。

3）7128工作面下山综合边界角β0综 =45.8°；上山综合移动角γ综 =62.2°，下山综合移动角β综 =60.8°，下山综合移动角比上山综合移动角略小，上、下山移动角平均为61.5°。

4）联合考虑7128和7126面的影响，获得本区接近充分采动条件下的移动角值为：上山综合边界角γ0综 =50.4°，上山综合移动角γ综=60°。

5）7128开采后地表移动变形最大值为：下沉1305mm，倾斜7.4mm/m，曲率为-0.15～+0.16mm/m2，水平移动518mm，水平变形-8.2～+3.8mm/m；联合考虑7128和7126面的影响，得本区接近充分采动条件下的地表移动变形最大值为：下沉2030mm，倾斜9.9mm/m，曲率为-0.26～+0.28mm/m2，水平移动860mm，水平变形-9.1～+6.6mm/m。

8）通过求参和综合分析，最终确定概率积分法预计参数为：下沉系数q=1.1，主要影响角正切tgβ=1.70，水平移动系数b=0.35，开采影响传播角θ= 900-0.25α，拐点偏移距平均为s=0.025H。

参考文献

[1] 张跃，谭志祥，邓喀中.许疃矿地表移动变形规律实测研究[J].2007（4）：7～10.

[2] 谭志祥，邓喀中. 建筑物下采煤理论与实践[M].徐州：中国矿业大学出版社.2009.

[3] 国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京：煤炭工业出版社，2000.

[4] 张玉卓.岩层与地表移动计算原理及程序[M].北京：煤炭工业出版社.1993.

[5] 吴侃，周鸣.矿区沉陷预测预报系统[M].徐州：中国矿业大学出版社.1999.