色連二礦綜采工作面地表移動變形規律分析

朱興軍,楊 郡,尹海雷,張鵬智

(鄂爾多斯市中北煤化工有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

1 工程概況

1.1 井田及工作面概況

色連二號煤礦位于內蒙古自治區鄂爾多斯市境內，行政區劃屬鄂爾多斯市東勝區罕臺廟鎮管轄。其地理坐標為：東經109°47′25″～109°53′24″，北緯 39°49′11″～39°54′27″。

井田位于東勝煤田柴登南詳查區南部，是區域性單斜儲水構造單元的組成部分。由于受新生代地質營力的影響，原始的高原地貌特征已遭破壞，地形切割十分強烈，縱觀全區，屬典型的侵蝕性丘陵地貌。礦區內溝谷主要有罕臺川、大波羅溝、色連溝、龍盛興溝等，均呈樹枝狀分布，平時只有溪流或無水，只有在雨后會形成短暫的洪流。區內所有溝谷均從東西兩側流入罕臺川，罕臺川從南向北流出區外[1-6]。

12205工作面是2煤首采面，其傾向長1 680 m，方位角為54°58′02″；走向長約240 m，方位角為144°58′02″，平均采深為310 m，傾角1.5°。該工作面煤層厚度平均2.0 m。采用傾斜長壁、全部垮落法管理頂板采煤工藝，綜合機械化采煤。頂板巖性主要為砂質泥巖和粉砂巖，局部為細粒砂巖，底板巖性主要為砂質泥巖，如表1所示。

表1 12205工作面地質采礦條件

1.2 地表觀測站概況

12205工作面地表觀測站如圖1所示，沿其走向和傾向主斷面各布置1條觀測線。

圖1 12205工作面地表觀測站示意圖

傾向觀測線設計長度1 951 m，測點間距平均25 m，埋設73個觀測點，編號1～73。其沿線地勢較為復雜，如圖2所示，地面標高+1 456.3～1 489.2 m，沿線整體趨勢為東高西低。

圖2 傾向觀測線地形圖

走向觀測線布置在距開切眼866 m位置，設計長度為491 m，測點間距平均25 m，埋設23個觀測點，編號E1～E10，W1～W13，其沿線地勢較為平坦，E1為傾向線與走向觀測線的交點。

12205工作面地表移動變形監測采用Leica RTK對監測點進行三維坐標的流動監測。在觀測之前應與工廣內至少兩個控制點進行校驗，以保證觀測數據的準確性[7]。

2 移動變形規律分析

2.1 下沉分析

為了分析丘陵地貌對地表下沉的影響，選取傾向線與走向線穩沉后的下沉數據進行對比分析。圖3為傾向線與走向線的下沉曲線圖。

走向上的寬深比為0.7，屬于非充分采動[8]。由圖3走向下沉曲線可知，最大下沉值為1 204 mm(位于E1)，在采空區中部，下沉曲線關于采空區對稱，符合地勢平坦地區的下沉規律。

傾向上寬深比為5.4，屬于超充分采動[8]。由圖3走向下沉曲線可知，最大下沉值為1 637 mm(位于11#)，受到地形的影響使下沉盆地的平底部分的下沉值不相等。5#～24#地表出現了附加下沉，對比該地為凸形地貌，受到采動影響，使11#(位于坡間)下沉大于7#(位于坡頂)。由于E1位于走向線與傾向線的交點，且E1點前后地勢較為平坦，如圖2所示，可以認為傾向線上E1的最大下沉量為該地質條件下的最大值(不包括受到滑移的影響)，因此滑移引起的最大附加下沉值為433 mm。

圖3 下沉曲線

2.2 水平移動分析

為了分析丘陵地貌對地表水平移動的影響，選取傾向線與走向線穩沉后的水平移動數據進行對比分析。圖4為傾向線與走向線的水平移動曲線圖。

圖4 水平移動曲線

如圖4所示，走向線上水平移動曲線基本關于采空區對稱，呈正弦曲線，最大水平移動值為-345 mm(W4)，由于非充分采動，采空區中央只有一點水平移動值為0，符合非充分采動地勢平坦地區的水平移動規律。

傾向線上由于受到丘陵地貌的影響，使水平移動曲線發生了較大的改變。水平移動曲線不再關于采空區對稱，最大水平移動值為419 mm(3#)，采空區中央的水平移動值不為0。凸形地貌(5#～24#)的坡頂的水平移動值小于兩側坡間水平移動值，說明凸形地貌在地表附加滑移作用下，滑移引起的水平移動值隨著下坡方向逐漸增大，最大值偏向于下坡方向。

2.3 邊界角分析

選取 12205 工作面傾向線下沉盆地最外邊下沉值為 10 mm 的點(10 mm的點可以通過內插獲得)，與之對應工作面切眼、停采線位置和相應深度，計算邊界角[8]。以最后一次觀測數據(2016 年 8 月 3 日)為基礎， 通過計算可得： 12205 工作面傾向線切眼處的邊界角為57°，停采線處的邊界角為 62°。

根據圖 3 傾向觀測線地形和工作面的相對位置關系得出，切眼處的地形屬于凸形地貌的坡間，停采線附近的地形較為平坦。12205工作面屬于近水平開采，造成切眼和停采線處的邊界角有4°的差異的原因是切眼處的地形為反坡，受到采動影響，地表發生滑移，使下坡方向的移動范圍增大，從而使邊界角角值減小。

2.4 移動角分析

選取 12205 工作面傾向線上 3 個臨界變形值(i=3 mm/m,ε=2 mm/m，K=0.2×10-3/m)中最外 一個臨界變形值點,與之對應工作面切眼、停采線位置和相應深度，計算移動角[8]。以最后一次觀測數據(2016 年 8 月 3 日)的下沉與水平移動數據計算傾斜值、曲率值、水平變形值，通過計算可得： 12205 工作面傾向線切眼處的移動角為70°，停采線處的邊界角為 73°。造成切眼和停采線處的移動角有差異的原因與邊界角一樣。

3 結 論

(1)通過對比傾向與走向觀測線的下沉曲線、水平移動曲線，丘陵地區高低起伏的地形對開采沉陷規律的影響比較大，地表移動變形分布不再關于采空區對稱[9-10]；

(2)凸形地貌在采動過程中地表產生滑移，導致地表產生了附加下沉，12205工作面地表最大附加下沉量為433 mm；

(3)凸形地貌在地表附加滑移作用下，滑移引起的水平移動值隨著下坡方向逐漸增大，最大值偏向于下坡方向；

(4)丘陵地貌受到采動影響對地表的滑移影響，增加下沉盆地的范圍，會造成邊界角和移動角減小。