色連煤礦淺埋開采地表移動與變形規律研究

許 宏

（內蒙古同煤鄂爾多斯礦業投資有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

煤礦采煤工作面開采后形成采空區，會引起上覆巖層的移動，從而引起地表的沉陷變形。為了提高煤炭資源采出率，并保護地表建筑物、地表環境等不受到損害，必須對煤層開采后的地表變形規律[1-2]進行觀測分析。本文以色連煤礦8101 工作面為地質背景，通過在地面建立沉陷變形觀測點，進行沉陷變形參數觀測，分析地表變形規律，為礦井后續開采設計、保護煤柱留設等提供科學參數。

1 工程概況及測點布置

1.1 工程背景

色連煤礦8101 工作面為礦井首采工作面，開采4-1 號煤層，煤層平均厚度為3.84m，煤層傾角為1～3°，埋深平均為166m。8101 工作面推進長度為1752m，面長為280m，采用綜合機械化采煤法，全部垮落法管理頂板。

1.2 測點布置

結合8101 工作面地質條件及開采設計參數，該工作面在走向和傾向均滿足充分采動的條件，為準確觀測工作面開采后地表變形規律，在工作面走向和傾向各布置一條測線，分別為A 和B 線（如圖1 所示）。根據地表變形觀測規定，測線布置需充分覆蓋，根據工作面相關參數，并結合鄰近礦井地表變形情況，綜合確定A 線長2135m，B 線長617m，觀測點間距15m，控制點間距為50m，控制點距兩端100m。具體參數如表1 所示。

圖1 8101 工作面測點實際布置圖

2 地表移動變形規律研究

2.1 實測地表沉陷特征分析

通 過2013 年11 月14 至2016 年6 月14 日 之間的連續變形觀測，收集到色連礦8101 工作面回采過程中地表變形數據，并對數據進行篩選。結合工作面覆巖特征、回采參數、地表地形地貌等多項影響因素，綜合分析得到布置的兩條測線上的各觀測點的變形與工作面回采參數之間的變化關系，并由此繪制工作面走向和傾向的地表下沉曲線圖，如圖2、圖3 所示。

由圖2、圖3 可以看出，工作面回采后，地表變形開始增加，達到一定距離后測線地表變形變化增大，地表變形均是隨工作面推進距離的增加而增大。隨著工作面向前推進，上覆巖層不斷垮落，引起地表變形，形成移動盆地，地表下沉值也逐步增大。地表下沉速度會隨著工作面開采程度的增加，進入地表移動活躍期，下沉量急劇增大。通過觀測可知，在整個地表變形觀測期間，地表走向和傾向測線測點的最大下沉值分別為3677mm 和3265mm；開始進入地表移動衰退期，增速放緩。

圖2 走向A 線主斷面下沉變化曲線圖

圖3 傾向B 線主斷面下沉變化曲線圖

由圖2 的工作面走向地表變形曲線可以看出，整體來看，地表最大下沉點的位置隨著工作面推進而不斷變化。受地表地形的變化和觀測精度的影響，局部位置的地表下沉變化曲線會有一定的波動，但就整體規律而言，滿足工作面開采地表變形的一般開采沉陷規律[3-4]。

2.2 地表下沉速度及延續時間

（1）走向測線

通過對工作面走向測線上各測點的連續觀測，可知A065 號測點為走向測線的最大下沉點，對該點的下沉量進行分析得到下沉曲線圖，如圖4 所示。通過分析該點的變形規律和下沉曲線圖可知，2014 年10 月9 日 至2014 年11 月1 日為該測點的初始變形期，共計23d；2014 年11 月1 日開始進入變形活躍期，并于2014 年12 月5 日，工作面推進870m，通過該點78m 時，該測點的下沉速度達到最大值，為75.8mm/d；2015 年1 月13 日開始進入變形衰退期，變形活躍期共計73d；至2015 年2月5 日測點變形結束，變形衰退期共計23d。該測點的地表變形總延續期為119d。

圖4 走向A 線A065 號測點下沉速度變化曲線圖

（2）傾向測線

通過對工作面傾向測線上各測點的連續觀測，可知B23 號測點為傾向測線的最大下沉點，對該點的下沉量進行分析得到下沉曲線圖，如圖5 所示。通過分析該點的變形規律和下沉曲線圖可知，2014年11 月1 日至2014 年12 月5 日為該測點的初始變形期，共計34d；2014 年12 月5 日開始進入變形活躍期，并于2015 年1 月13 日前后，工作面推進1270m，通過該點373m 時，該測點的下沉速度達到最大值，為80.2mm/d；2015 年2 月5 日開始進入變形衰退期，變形活躍期共計62d；至2015 年5 月29 日變形結束，變形衰退期共計113d。該測點的地表變形總延續期為209d。

圖5 傾向B 線B23 號測點下沉速度變化曲線圖

2.3 移動變形動態規律分析

通過分析工作面傾向上的實測變形數據，得到其概率積分預計參數，并對工作面實測變形數據與理論預計變形數據進行分析，可以得到理論模型和實測參數曲線之間的擬合關系[5]，如圖6 所示。受多種因素影響，個別實測數據與理論參數有一定的偏差，但是從整體的變化趨勢、下沉量來看，實測數據與預計理論參數兩者之間擬合程度高。

圖6 實測地表下沉曲線與理論預計曲線擬合圖

3 結論

（1）通過對色連煤礦8101 首采工作面采空區所造成的地表移動變形觀測和沉陷特征的分析，得出該礦在淺埋深厚煤層巖條件下開采沉陷的變形規律；其開采活躍期較短，但下沉速度大，地表移動劇烈。

（2）通過對工作面走向地表變形分析發現，A065 號測點是監測的關鍵測點。根據該點移動監測數據可以推定，在礦井當前的開采模式下，地表變形的周期為119d。

（3）對比分析理論計算參數和實測數據，可知兩者之間的擬合程度高。分析位移的變形規律特點，對比與實測結果規律相接近，指導礦井的安全開采及環境保護，為礦區的綠色持續發展提供基礎數據。