麻家梁井田煤層開采對地表變形預測研究

趙楚楚 劉永芳 王曉琴

（同煤浙能麻家梁煤業有限責任公司，山西朔州036000）

同煤集團麻家梁礦井為朔南礦區在建千萬噸礦井之一，面積約104.292 4 km2，采用豎井開拓方式，目前主采山西組4號煤層，綜放開采方式。礦井投產于2014年，首采一、二采區，開采強度大，對上覆巖層和地表的影響比較大，首采區地表分布有農田、村莊、工業廣場、公路等構筑物，由于礦井為朔南井田首個開采大型礦井，附近無相關煤炭開采地表變形監測數據，為分析井田開采后對地表影響程度，確保地表構筑物的安全，合理規劃開采布局，根據井田開采技術條件，采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》（《開采規程》）中地表移動變形最大值進行地表變形預測。

1 井田地質概述

區內主要可采煤層為山西組4號煤層和太原組9號煤層，礦井首采區內4號煤層埋藏深度達523 m，區內新生界厚度變化較大，厚度介于145 m～320 m之間。基巖地層巖性主要為砂巖、泥巖、炭質泥巖、鋁土巖、煤和石灰巖等組成。井田基本地質構造形態為一單斜構造，構造簡單，屬一類。

區內4號煤層底板賦存標高在505 m～730 m之間，西南部標高較小，東北部標高較大。煤層埋深與地形有關，總趨勢為西南部埋藏深，東北部埋藏淺。4號煤層賦存最淺部位于測區東北部，埋深為470 m左右，最深處在初期采區西南部邊緣，埋深為695 m。9號煤層的構造形態與4號煤層一致，其煤層底板賦存標高最大、最小和埋深最深、最淺部位與4號煤層基本相同，見表1。

表1 煤層底板極值及埋深極值

2 采煤方法

采煤方法采用綜采放頂煤采煤法，麻家梁井田4號煤層在一、二采區平均厚度分別為9.44 m和7.58 m，采煤機割煤高度均為3.5 m，放頂煤高度分別為5.94 m和4.08 m，采放比分別為1：1.70和1：1.17，全部垮落法管理頂板。

3 地面塌陷、地裂縫預測[1-2]

本次地表變形預測是根據本井田一、二采區地質、煤層賦存條件、采煤方法等開采技術條件，采用《開采規程》中地表移動變形最大值進行地表變形預測。

3.1 地表移動變形最大值的計算

最大下沉值Wcm=m?q?cosα(mm)；最大傾斜值icm=；最大曲率值；最大水平移動值Ucm=b?Wcm(mm)；最大水平變形值εcm=±1.52?b

3.2 地表移動變形基本參數（見表2）

表2 開采規程中地表移動變形基本參數

根據礦井地質報告，麻家梁礦井煤層覆巖相當于中硬偏硬巖層。經分析朔南礦區井田地質情況，對比朔南礦區已有的開采沉陷地表移動的基本參數，通過類比確定本次礦井開采地表移動變形基本參數為：

①下沉系數：初采q0=0.56，一次重采q1=0.61，二次重采q2=0.64，三次重采以上q取值為0.68；

②水平移動系數：b=0.3；

③開采影響傳播角：θ=90°-0.75α=86.25°，a為煤層傾角，a=5°；

④主要影響角正切：初次tgβ0=1.95，一次重采tgβ1=2.0，二次以上重采tgβ=2.3

⑤拐點偏距：S=0.15H（m）；

⑥主要影響半徑：r=H/tgβ；

⑦達到充分采動時的條區尺寸：L=l≥2（r+s）；

根據以上因素，地表移動變形基本參數見表3。

表3 麻家梁礦井地表移動變形基本參數

3.3 地表移動變形預計

本次對5年內回采4#煤層地表移動變形進行預計，4#煤層采后地表移動變形值見表4。

表4 4#煤層采后最大地表變形值

3.4 全井田地表移動變形預計

麻家梁礦井為近水平煤層，按充分采動、冒落式開采、重復采動等條件，根據表3確定的各煤層基本參數，計算了麻家梁礦井全部煤層采完后地表變形最大值見表5。

表5 麻家梁礦井地表移動變形最大預測值

根據地表移動變形值預計結果，區內開采后的最大地表移動值見表6。

表6 區內開采后的最大地表移動值

3.5 地面變形延續時間估算

采用《開采規程》中累積地表下沉10 mm時為移動期的開始時間，在無實測數據可用時，地表移動的延續時間（T）可用下列公式計算：

式中H為工作面平均采深（m）

本次預計適用期井田內開采4號煤層，平均采深510 m，則T=1 275天，即適用期內開采4號煤層引起的地表移動延續時間為1 275天，約為3.5年。

上述地表移動變形時間只是煤層開采后地表常規時間內動變形期。由于采空區完全充填、冒落物的充分壓密以及煤柱的變形等因素都影響地表移動，因而地面變形將會延續更長的時間。

4 結語

采用《開采規程》中地表移動變形最大值進行地表變形預測，該方法適用于附近無相關煤炭開采地表變形監測數據或區域內無開采歷史可供參考類比的區域，應用大概率事件，通過計算地表變形最大值做為礦井建設依據，相對比較合理實際，缺點是應用范圍局限性較大，由于文中公式計算基于經驗實測資料確定，缺乏對本地區的針對性，無法確定不同點位、不同地質條件、不同開采技術條件下等因素造成的地表變形差異。

采煤結束后地表變形的準確預計需要有詳實的地面變形預計參數，為了保證礦井在隨后的開采過程中更好地掌握煤層開采對地表變形的影響程度，為礦井合理布局提供可靠的基礎信息，后續可通過開展地表實地變形監測，獲取地表變形的實際數據，分析礦區開采造成地表變形的規律，獲得準確可靠的地表移動變形參數。為礦井開采設計、煤柱留設，以及地表建（構）筑物設防保護提供可靠的依據；同時也為礦區生態環境的恢復治理、制訂復墾規劃和選擇經濟合理的復墾技術方法，提供原始技術資料。

根據本次預測結果，便于礦山企業合理規劃開采設計和制定合理的礦山地質環境恢復治理方案，通過留設煤柱或按國家相關規范實施“三下采煤”，避免了地面塌陷對建筑物的嚴重破壞，保護了建筑物安全和人身安全，避免了巨大的經濟賠償損失。