王家塔煤礦首采工作面地表變形規(guī)律

張德民 王 瑞

(1.新能礦業(yè)有限公司王家塔煤礦；2.江西理工大學應用科學學院)

王家塔煤礦位于內蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市境內，隸屬鄂爾多斯市伊金霍洛旗納林陶亥鎮(zhèn)管轄，地處東勝區(qū)城區(qū)以南約9 km處。井田位于東勝煤田東北部，礦井設計年產500萬t，核定生產能力為680萬t/a。王家塔井田西部有包神鐵路，北部有呼準鄂高鐵和東銅鐵路從井田通過，榮烏(G18)高速公路從井田北部東西向通過，因此研究地表移動規(guī)律，合理留設煤柱至關重要[1-3]。本研究通過在該礦首采3101工作面建立地表移動觀測站，并以該觀測站的實測資料為基礎，對該礦在煤層埋藏淺、開采厚度大、推進速度快的開采條件下的巖移規(guī)律進行探討。

1 觀測站概況

本研究觀測站設置于王家塔煤礦首采3101工作面上方，觀測站所處區(qū)域為丘陵地區(qū)，地形復雜多樣[3]，海拔最高1 410 m，最低1 350 m。3101工作面開采煤層為3-1#煤層，該工作面煤層最小厚度為3.60 m，最大厚度為9.20 m，平均厚度為6.32 m。工作面所采煤層上部巖層主要由砂質泥巖和粉砂巖構成，底板主要為砂質泥巖和粉砂巖，局部為細粒砂巖[4]。觀測站所在區(qū)域煤層平均傾角為2°，近于水平煤層，平均采深220 m。根據XE28鉆孔資料，設站地區(qū)溝谷主要由風積砂覆蓋，第四系松散層厚度為5 m，坡頂有少量殘積土，基本無第四系沉積。3101工作面長300 m，走向長2 680 m，回采月推進度平均為200 m，采用走向長壁式采煤法，全部垮落法管理頂板[3]。

2 觀測站設計與觀測

2.1 設計原則

設立地表移動觀測站的目的是為了確定移動變形與地質采礦條件的關系，觀測結果的準確性與設站的合理性直接相關。本研究觀測站的布設原則為：①觀測線布設位置應與地表移動盆地主斷面重合；②觀測線上的測點密度應根據開采深度和設站目的而定，具體在《建筑物、水體，鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》中有所要求；③觀測線長度應大于地表移動盆地范圍，即觀測線應延伸至地表移動盆地之外；④觀測期間的設站地區(qū)不應受到鄰近工作面開采影響；⑤控制點應布設于不受工作面采動影響的地表移動盆地范圍外；⑥測點應埋設牢固，使得測站移動與地表移動變形能夠同步進行，以便有效反應地表移動狀況[5-6]。

2.2 觀測站布設方式

3 地表移動規(guī)律及巖移參數計算

3.1 地表移動規(guī)律

通過對觀測站進行監(jiān)測，走向Ⅰ線、走向Ⅱ線及傾向線的監(jiān)測數據如表1所示。

表1 實測地表最大移動變形值

在對實測數據整理、校核的基礎上，依據《煤礦測量規(guī)程》中的相應公式分別計算了走向Ⅰ線、走向Ⅱ線和傾向線不同觀測時段各測點和測點間的移動變形[7-10]。分析圖1～圖3可知：地表移動變形在工作面回采過程時間段內異常活躍，1個月內地表累計下沉值達到2 722 mm，其中地表最大下沉速度達106.1 mm/d；地表最大下沉量位于下沉盆地底部，而采區(qū)邊界處的下沉量迅速減小，下沉盆地邊界收斂慢，呈陡峭姿態(tài)，同時采空區(qū)上方出現了1條明顯的南北走向裂縫[8]。通過現場調查發(fā)現，下沉盆地邊緣出現了比較固定的裂縫，主要位于工作面開切眼位置兩側，裂縫發(fā)育方向和回采煤層傾向保持一致，根據實際調查，裂縫最小寬度為22 mm，最大寬度為55 mm，伴有較明顯的階梯狀裂縫帶，以工作面開切眼位置地表裂縫最為發(fā)育，裂縫最大寬度約為250 mm。工作面推進過程中，推進方向動態(tài)拉伸區(qū)域中接連出現動態(tài)裂縫，呈弧狀與回采線保持平行，各條裂縫出現間隔通常為6～10 m，單條裂縫寬度通常為10～30 mm，經歷20 d左右的發(fā)育成熟期，裂縫逐漸閉合并且消失。

3.2 巖移參數計算

地表移動初始期較短，約46 d，活躍期相對較長，為112 d，其中劇烈活動期(下沉速度大于1.67 mm/d)的持續(xù)時間僅為24 d，地表下沉速度較大。3101工作面地表下沉速度為106.1 mm/d，工作面回采地表移動持續(xù)總時間約334 d，通過監(jiān)測數據計算出的開采移動角如表2、表3所示。

4 結 論

(1)根據王家塔煤礦3101工作面的地表實際情況布設了觀測站，根據地表巖移監(jiān)測結果，分別求出了走向Ⅰ線、走向Ⅱ線和傾向線的邊界角、移動角、裂縫角。經過綜合分析，確定3101工作面邊界角為45°～53°，平均為50°；移動角為78°～79°，平均為78°；裂縫角為80°～81°，平均為80°。由于該礦煤層近似水平，為安全考慮，在礦區(qū)進行“三下”采煤、留設保安煤柱和確定開采影響塌陷范圍時，建議取較小值，即邊界角45°，移動角78°，裂縫角80°。

圖1 走向Ⅰ線實測移動變形曲線

圖2 走向Ⅱ線實測移動變形曲線

圖3 傾向線實測移動變形曲線

表2 上山、下山及走向方向的邊界角、移動角、裂縫角

表3 王家塔煤礦綜放開采動態(tài)巖移參數

(2)王家塔煤礦地表移動變形規(guī)律可采用概率積分法進行分析。根據地表移動觀測站的實際觀測資料，采用空間問題求參法，求取了地表移動變形預計參數和邊界角、移動角等參數，由于3101工作面正上方地貌主要為侵蝕性丘陵地貌，通過對監(jiān)測數據進行誤差評定及修正，反演出的下沉系數q=0.73、水平移動系數b=0.22、主要影響角正切值tanβ=2.6、拐點偏移距s=0.15H(采深)、開采影響傳播系數k=0.65。