大采高綜采工作面地表沉降變形規律模擬研究及觀測站的建立

雒崇華

(山西焦煤霍州煤電呂臨能化有限公司, 山西 呂梁 033200)

1 前言

某礦4418工作面位于-600m水平,前組四采區四層煤第二亞階段。東臨F12斷層;西臨4418工作面采空區;南臨4417工作面采空區;北臨4419工作面采空區,上覆4218工作面已開采結束。該工作面走向長為900m,傾斜寬為137m,工作面標高為-500～-550m。

本工作面設計開采煤層為四層煤，煤層穩定,結構簡單,變異系數為7.7%,可采指數為1,煤層厚度為3.02～8.52m，平均煤厚為5.4m。通過地質資料分析和工作面掘進揭露巷道證實，該工作面范圍內，煤層結構簡單，煤層穩定。工作面直接頂為泥巖，厚12.7m，基本頂礫巖，厚24.8m。直接底為砂質泥巖，厚度1.5m，基本底為中粒砂巖，厚度0.9m。該工作面采用一次采全高大采高綜采工藝。該工作面地質構造簡單，工作面共揭露一條斷層,對回采影響不大。煤層走向155°，傾向65°，傾角22°。

該工作面瓦斯涌出量為0.6m3/min，瓦斯等級為低級，發火期2～3個月，煤塵具有爆炸危險，爆炸指數為39.28%。

該工作面對應地表附近有村落，通過數值模擬研究該工作面回采過程中對地面沉降的影響，采取適當措施，保護地面建筑物的安全。

2 地表沉降模擬研究

2.1 地表沉降模型

采用UDEC模擬軟件，依據工作面的地質條件，建立數值模擬模型，模擬工作面上覆巖層的移動情況。圖1所示為采用UDEC建立的數值模擬模型，模型高為540m，寬為800m，同時模型左、右各留100m，開采長度為600m。該工作面采高為5.4m，該數值模型采高為5m，每次開采5m，為了觀測采動過程中地表的變形規律，在模型中設置了5條觀測線，觀測工作面開采過程中巖層的移動情況，觀測線具體設置在煤層上方2m、20m、120m、140m、地表表層，測線布置如圖2所示。

圖1 UDEC數值模擬模型圖

圖2 測線布置示意圖

2.2 地表沉降數值模擬分析

隨著數值模擬的運行，通過導出數值模擬中測線的數據，對測線6的數據變化進行分析，測線的變化曲線如圖3所示。從圖中可以看出，當工作面開始回采時，地表巖層沒有發生沉降。隨著工作面的不斷推進，巖層移動逐漸波及至地表，地表開始出現沉降[1]。工作面開采長度越大，地表沉陷范圍越大、下沉量越大。當工作面推進至400m時，地表沉降趨于穩定，下次量約為2.5m，且工作面中部對應的地表沉降最大。

圖3 測線6的變化曲線

3 建立地表觀測站

礦區地表移動觀測站可以不同時間定期、重復的觀測地表的變化情況，因此為了更好觀測該礦井工作面地表的沉降情況，在地表建立移動觀測站。現在從以下幾個方面建立地表移動觀測站。

3.1 觀測站控制點與測點埋設

地表移動觀測站的控制點標石采用鋼筋混凝土預置標樁或現場混凝土澆筑標樁，其規格應參照《煤礦測量規程》等相關要求制作(可使用一層標石)。標樁的底部埋深要低于凍土層2.5m，標樁要牢固，以使其可以和地表一起移動。

測點在觀測現場埋設，應在標定的位置上挖一個直徑0.2～0.3m，深度不小于0.6m的坑，用混凝土灌筑，中間用16～20mm的鐵桿作標志，作為測點標志的中心。測點埋設應在凍土層以下0.5m左右，同時測點周圍填緊土石，以防止測點受凍土影響[2]。

3.2 觀測站所需儀器與方法

1) 所需儀器

移動觀測站里需要全站儀，測角精度2″,與礦區控制網連測全面測量。水準儀進行巡視測量和水準測量。GPS與礦區控制網連測全面測量。

2) 測量方案

在觀測點埋好10～15天，點位固結之后，進行觀測。觀測工作包括下列內容：

(1)連接測量。根據礦區地面控制網和觀測站位置及其地形情況，用插點法測定觀測線交點或一個控制點的平面坐標和高程，其他控制點的平面坐標可按四等導線測角方法所測得角度和觀測線邊長丈量的結果。

如采用GPS進行觀測，用不少于三臺GPS接收機進行靜態測量，按照規程規定的C級網精度標準進行施測。

(2)全面觀測。在與礦區控制網連測后、地表開始移動之前，應對地表觀測站的全部測點獨立進行兩次全面觀測，觀測間隔時間不超過5天。同一地點的兩次測量高程差小于10mm、長度差小于4mm時，取平均值做為觀測數據，并繪到觀測站設計平面圖上。

當地表沉降趨于穩定時，再進行一次全面測量。連續半年以上，地表各點的累積下沉量小于30mm，可以認定地表下沉穩定。

4 結論

對該工作面地表沉降規律進行模擬，該工作面中部對應地表下沉量最大，下沉降為2.5m，水平移動影響范圍要略大于工作面回采的長度。同時介紹了該礦井地表移動觀測站的建立方案。