三元中能礦2306工作面地表沉陷變形規(guī)律研究

秘 鑫

(長治三元中能煤業(yè)有限公司，山西 長治 046000)

深入了解、掌握地表沉陷變形規(guī)律是安全進(jìn)行“三下”采煤的基礎(chǔ)[1-2]。近幾十年來，我國工程技術(shù)人員通過建立大量觀測站，對(duì)地表沉陷變形進(jìn)行了深入研究，但隨著采深的增加，以及一次采全高、綜放等采煤方法的廣泛應(yīng)用，該條件下的巖層移動(dòng)及地表沉降已呈現(xiàn)出不同規(guī)律特征，因此，對(duì)綜放或一次采全高等采煤方法下的工作面地表沉降及變形規(guī)律開展深入研究，變得十分必要[3-5]。

對(duì)于地表沉陷規(guī)律，國外學(xué)者先后提出了二等分線、圓拱、斜面等理論[6-7]，從宏觀上對(duì)沉降作出理論描述。我國學(xué)者自20世紀(jì)50年代起，在多地建立了數(shù)千個(gè)觀測站[8]，進(jìn)行了大量觀測研究，并結(jié)合數(shù)值模擬、相似模擬方法，開展了一系列微觀研究，提出了概率積分法、負(fù)指數(shù)函數(shù)法、曲線法等理論方法[9-10]，從沉降量、巖移、曲率、移動(dòng)角等微觀數(shù)據(jù)上，對(duì)地表沉降及巖移規(guī)律進(jìn)行了描述。本文通過在2306工作面對(duì)應(yīng)地表沿走向與傾向分別設(shè)置觀測線，經(jīng)長時(shí)間大量觀測，采用概率積分法對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行理論分析，提出該工作面一次采全高條件下的地表沉陷變形規(guī)律，為安全進(jìn)行“三下”采煤提供數(shù)據(jù)支撐，為同類型“三下”采煤的現(xiàn)場管理提供參考。

1 工程概況

1.1 礦井概況

三元中能礦位于長子縣東南一帶，距縣城約8 km，井田范圍約40.8 km2，其中，南北向約6.6 km，東西向約7.5 km。該礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力240萬t/a，全區(qū)采用單水平開拓。

1.2 觀測工作面概況

此次地表沉降觀測的2306工作面，平均煤層厚度4.30～5.12 m，東西走向長1 760 m，南北傾斜長249.5 m，傾角0～10°，埋深474 m，使用放頂煤開采法、全部垮落法管理頂板。回采工作從2018年3月開始，到2019年7月結(jié)束。區(qū)域內(nèi)地質(zhì)情況整體相對(duì)簡單，僅存在幾條落差不大的小斷層。

工作面對(duì)應(yīng)地表整體平坦，標(biāo)高介于+939～+950 m之間，平均標(biāo)高+942 m，上部主要是砂巖、泥巖和黃土層。直接頂主要是砂質(zhì)泥巖、泥巖，質(zhì)地松軟、強(qiáng)度差；老頂呈現(xiàn)半堅(jiān)硬-堅(jiān)硬狀，主是是中-細(xì)粒砂巖；直接底以砂質(zhì)泥巖、泥巖為主，老底為中厚細(xì)砂巖，質(zhì)地堅(jiān)硬。

2 工程實(shí)踐

2.1 觀測站布置

根據(jù)現(xiàn)場條件，結(jié)合《煤礦測量規(guī)程》相關(guān)要求，為方便數(shù)據(jù)觀測及分析處理，在2306工作面對(duì)應(yīng)地表，分別沿走向和傾向布置觀測線，其中，沿走向東西布置A線，沿著傾斜方向南北布置B線，A、B兩線相互垂直，均處于移動(dòng)盆地主斷面中軸線上。為保證控制點(diǎn)穩(wěn)定可靠，計(jì)算得出地表移動(dòng)影響盆地范圍邊界，在邊界外部設(shè)置控制點(diǎn)。B線設(shè)置控制點(diǎn)3個(gè)、觀測點(diǎn)45個(gè)，控制點(diǎn)編號(hào)為R1～R3，觀測點(diǎn)編號(hào)為1～45，控制點(diǎn)處于1號(hào)觀測點(diǎn)北側(cè)。A線同樣設(shè)置控制點(diǎn)3個(gè)，編號(hào)R4～R6；觀測點(diǎn)41個(gè)，編號(hào)46～86，控制點(diǎn)位于觀測點(diǎn)西側(cè)。全站設(shè)置控制點(diǎn)6個(gè)，觀測點(diǎn)86個(gè)，走向測線長1 104.9 m，傾斜測線長1 264.2 m。控制點(diǎn)及觀測點(diǎn)的設(shè)置情況見表1和圖1。

表1 2306工作面地表沉陷觀測點(diǎn)布置匯總

圖1 工作面地表沉陷觀測站布置

根據(jù)有關(guān)規(guī)程規(guī)定，為確保觀測點(diǎn)穩(wěn)定可靠，各測點(diǎn)使用混凝土樁埋入基土層0.5 m深，確保測點(diǎn)可以隨沉降和巖移吻合移動(dòng)，以此來確保觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。

2.2 變形觀測

2306工作面于2018年3月13日開始回采，首次全面觀測于2018年3月26日完成，保證了基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。至2019年7月16日回采結(jié)束，歷時(shí)1年零4個(gè)月，工作面推進(jìn)1 760 m，平均每天推進(jìn)3.8 m。期間，每月進(jìn)行1次全面觀測，累計(jì)完成18次導(dǎo)線測量和18次日常水準(zhǔn)觀測，獲得大量數(shù)據(jù)資料，可以及時(shí)、完整、準(zhǔn)確地反映沉降變形的真實(shí)變化規(guī)律。

3 地表沉陷變形規(guī)律分析

從現(xiàn)場地表沉陷變形及數(shù)據(jù)整體情況來看，2306工作面因采深較大，煤層較厚，且使用一次采全高采煤法開采、全部垮落法管理頂板，回采效率高、強(qiáng)度大，地表沉降變形十分劇烈。

3.1 主要參數(shù)

根據(jù)目前較為常用的分析方法，通過計(jì)算采動(dòng)過程中不同時(shí)間的地表下沉量、傾斜率、曲率、水平移動(dòng)量和水平變形值等參數(shù)，來反映和描述地表移動(dòng)變形的整體規(guī)律。

其中，下沉量通過n次觀測高程值與初始高程值的差值來得出；傾斜率由兩點(diǎn)間的下沉量除以兩點(diǎn)間距得出；三點(diǎn)間的曲率，由相鄰兩段的傾斜率之差除以兩端水平距離之和得出；水平移動(dòng)數(shù)值由某點(diǎn)第n次觀測到控制點(diǎn)的水平距離與首次觀測時(shí)該點(diǎn)到控制點(diǎn)的距離之差得出；水平變形值由第n次觀測兩點(diǎn)間水平距離變化量除以兩點(diǎn)間首次觀測水平距離得出。

3.2 數(shù)據(jù)分析

依據(jù)上述算法，得出了采動(dòng)過程中不同時(shí)間的地表下沉量、傾斜率、曲率、水平移動(dòng)量和水平變形值及相應(yīng)曲線圖。據(jù)此得出各測線最大移動(dòng)變形值見表2，部分變形曲線見圖2和圖3。

表2 各測線最大移動(dòng)變形值

圖2 地表實(shí)測沉陷與變形曲線走向(A走向)

圖3 地表實(shí)測沉陷與變形曲線傾向(B傾向)

根據(jù)數(shù)據(jù)匯總分析，從下沉圖中可以看出，A測線中間測點(diǎn)下沉量較大，而控制點(diǎn)附近測點(diǎn)下沉量相對(duì)較小，當(dāng)工作面推進(jìn)約400 m時(shí)，80號(hào)測點(diǎn)下沉量趨于穩(wěn)定，且地表移動(dòng)變形曲線隨回采面的向前推動(dòng)向前平移，并逐步趨于穩(wěn)定；而從傾向B觀測線的沉陷變形曲線來看，中間測點(diǎn)變形較大，兩邊測點(diǎn)變形較小，并且在第20、27號(hào)測點(diǎn)處變形曲線分別出現(xiàn)兩個(gè)拐點(diǎn)；從下沉量圖中可以看出，在開采初期地面下沉量較小，并且全線下沉量相差不大，但當(dāng)工作面推進(jìn)到約300 m時(shí)，中間測點(diǎn)下沉量增大，隨著回采面的推進(jìn)，地表移動(dòng)變形數(shù)據(jù)逐漸增大到一定數(shù)值后趨向穩(wěn)定。以上規(guī)律說明，地表的沉陷變形具有連續(xù)重復(fù)特點(diǎn)，符合開采沉降的理論規(guī)律，從而證實(shí)了此次沉陷變形觀測的數(shù)據(jù)是真實(shí)可信的，該觀測成果是真實(shí)可靠的。

3.3 規(guī)律分析

根據(jù)現(xiàn)場觀測，結(jié)合數(shù)據(jù)分析，在回采進(jìn)程中，地表沉陷變形十分活躍。回采約400 m，最大沉降量已達(dá)3 300 mm，是最終下沉量的90%，地表已沉陷，盆地已然清晰可見。最大下沉點(diǎn)在盆地中部，向邊界處逐漸減小，影響范圍較大。具體呈現(xiàn)以下規(guī)律：

1) 地表沉陷變形十分活躍，移動(dòng)變形整體上分布較為集中。分析可知，因回采速度快，上覆巖層垮落沉降速度同樣加速，帶動(dòng)采空區(qū)周圍板塊的時(shí)間及荷載均較小，進(jìn)而形成分布集中的沉降盆地。

2) 沉陷變形呈現(xiàn)出一定的厚松散層特征。根據(jù)曲線可知，移動(dòng)變形量以拐點(diǎn)為分界線，內(nèi)側(cè)沉降量大、斜率大，而在拐點(diǎn)外側(cè)沉降量小、斜率較小，沉降變形臺(tái)階不明顯。

3) 地表沉陷速率大，地表沉陷變形時(shí)間段較為集中。地表沉陷變形速度與回采速率呈正相關(guān)。根據(jù)觀測，地表移動(dòng)變形整體上分為初始期、活躍期和衰退期，其中，以活躍期變形量最為明顯，沉陷量占到總沉陷量的98.0%左右，初始期及衰退期沉降量降較小。根據(jù)日常觀測數(shù)據(jù)可確定，初始期、活躍期和衰退期時(shí)間段分別占有28 d、161 d和199 d。

4) 地表裂隙裂縫比較發(fā)育，下沉臺(tái)階不夠明顯。第一種情況，隨回采進(jìn)行，走向因動(dòng)態(tài)拉伸而形成與工作面幾乎平行的裂縫，也會(huì)隨工作面回采而閉合；第二種情況，工作面邊界區(qū)域形成裂縫，一旦形成便固定下來。

5 結(jié) 語

深入研究地表沉陷變形規(guī)律對(duì)于有效保護(hù)地表建構(gòu)筑物、減少“三下”壓煤具有重要意義，通過一年多的現(xiàn)場觀測及數(shù)據(jù)分析，深入了解、掌握了一次采全高條件下的地表沉陷變形規(guī)律。

1) 根據(jù)沉陷觀測變形曲線，A測線中間測點(diǎn)下沉量較大，而控制點(diǎn)附近測點(diǎn)下沉量相對(duì)較小，當(dāng)工作面推進(jìn)約400 m時(shí)，80號(hào)測點(diǎn)下沉量趨于穩(wěn)定，且地表移動(dòng)變形曲線隨回采面的向前推動(dòng)而向前平移，并逐步趨于穩(wěn)定；從傾向B觀測線的沉陷變形曲線圖來看，中間測點(diǎn)變形較大，兩邊測點(diǎn)變形較小，并且在第20號(hào)、27號(hào)測點(diǎn)處變形曲線分別出現(xiàn)兩個(gè)拐點(diǎn)；從下沉量圖中可以看出，在開采初期地面下沉量較小，并且全線下沉量相差不大，但當(dāng)工作面推進(jìn)到約300 m時(shí)，中間測點(diǎn)下沉量增大，隨著回采面的推進(jìn)，地表移動(dòng)變形數(shù)據(jù)逐漸增大到一定數(shù)值后，趨向穩(wěn)定。

2) 2306工作面地表沉陷變形呈現(xiàn)出一定的厚松散層特征。根據(jù)曲線可知，移動(dòng)變形量以拐點(diǎn)為分界線，內(nèi)側(cè)沉降量大、斜率大，而在拐點(diǎn)外側(cè)沉降量小、斜率較小，沉降變形臺(tái)階不明顯。

3) 地表移動(dòng)變形整體上分為初始期、活躍期和衰退期，時(shí)間段分別占有28 d、161 d和199 d。其中，以活躍期變形量最為明顯，時(shí)間上僅占41.5%，但此階段內(nèi)沉陷量占到總沉陷量的98.0%左右。