淺埋煤層開采地表沉陷規律分析

李 洋

（山東省煤田地質局第一勘探隊，山東 滕州 277500）

1 工程概況

依據東部及中部地區淺埋中厚煤層地表沉陷規律，對西部地區煤層開采引起地表沉陷指導性不強[1-3]。同時隨著東部及中部地區煤炭資源逐漸枯竭，西部地區日益成為我國煤炭的主采區。因此，分析西部地區礦井煤層開采引起地表沉陷規律，對指導礦井后續開采具有顯著現實意義。

隆德礦可采煤層有2-2、5 煤層，現階段主采2-2#煤，厚度4.01～6.79 m，埋藏深度135～205 m，上覆基巖層厚度73.5～178.6 m，平均113.5 m，松散層厚度5.3～55.7 m，平均38.8 m。礦井采煤方法采用綜合機械化采煤工藝。文中采用現場實測法對地表沉陷進行監測，從而掌握礦井煤層開采時引起地表變形規律及特點。

2 測點布置及數據觀測

201 工作面為2 采區2-2 煤層首采工作面，采面東北側為采區集中軌道、運輸巷，其余均為實體煤。采面設計走向長度3500 m，斜長300 m，煤層底板標高+995～ +1021 m，對應地表標高+1205～+1250 m。煤層賦存穩定，結構簡單，傾角2°，煤厚4.1 m。

針對201 工作面開采條件，在采面切眼位置沿走向、傾向分別布置一條測線。走向觀測線A 長度共計690 m，58 個測點，控制點（KA1～KA3）、工作點（A01～A55）數分別為3 個、55 個，測點間距均為10 m；傾向觀測線B 長度共計1010 m，78個測點，控制點（KB1～KB6）、工作點（B01～B72）數分別為6 個、72 個。具體測線布置如圖1。

測點采用全站儀進行水平觀測，水準儀進行高程觀測，其中測線A、B 分別進行6 次水平、13 次高程觀測。

圖1 地面測線布置示意圖

3 地表測點觀測數據及變形規律分析

3.1 巖移參數

（1）測點垂向及水平位移

由觀測結果得知，在走向觀測線A 上發現A40號測點的垂向下沉量為2098 mm，位移最大；水平位移最大的為A26 測點，位移量為745 mm。具體走向觀測線A 上各測點下沉量監測結果如圖2。傾向觀測線B 上發現B35 測點垂向位移最大，下沉量為2040 mm；B40 測點水平位移最大，位移量為618 mm。

圖2 走向觀測線A 上各測點下沉量監測結果

（2）地表下沉持續時間及速度

監測發現在走向觀測線A 上A40 號測點下沉速度最快，可達166.45 mm/d（滯后采面約130 m 位置）。通過插值法計算測點下沉速度，具體移動初始期、活躍期以及衰退期持續時間分別為2 d、31 d以及63 d。

在傾向觀測線B 上B35 點下沉速度最快，可達145.8 mm/d，發生在采面推進該測點115 m 位置。通過插值法分析計算，推測出該測點活躍期以及衰退期時間分別為35 d 以及64 d，未監測到有移動初始期。

（3）下沉移動距及超前影響角

在第三次高程觀測時發現走向觀測線A 上的A20 測點下沉值最大，下沉值達到15.6 mm。采用插值法計算確定地表下沉量值約為10 mm 時回采工作推進距離約為48.6 m，因此確定采面超前采動距為48.6 m，此時采面采深（H）按照229 m 計算，得到超前采動距約為0.21H。

2018 年9 月5 日采面回采推進約190 m，此時采面采空區覆巖充分垮落、下沉，在采面對應地表前方約88 m 位置的A48 測點下沉量值為10 mm，因此認為采面超前影響距離為88 mm。此時采面采深為229 m，根據勾股定量計算得到超前影響角為68.8°

（4）綜合邊界角及移動角

煤炭回采后會引起地表沉陷，并以10 mm/m 速度為地表沉陷邊界。根據地表變形監測結果，得到走向方向上綜合邊界角為58.5°，回風順槽、運輸順槽綜合邊界角分別為55.2°、56.7°。

根據移動角定義，分別按照水平變形值、傾斜變形值以及曲率變形值對綜合移動角進行求解，具體求得走向綜合移動角為81.5°，傾向方向回風順槽、運輸順槽側綜合移動角分別為81.2°、83.7°。

3.2 地表移動參數擬合分析

根據采面地表布置的走向、傾向測線實測結果，以及下沉值、水平值擬合曲線，采用概率積分法對地表移動參數進行擬合，具體結果見表1。

表1 地表移動參數擬合結果

從表1 得出，201 工作面回采后拐點移動距以及主要影響角正切值較大，分析主要是201 采面為2 采區首采工作面，采面開采后在切眼以及兩側回采巷位置頂板未能充分垮落引起。

4 地表變形規律分析

礦井開采的2-2 煤層埋深較淺，基巖厚度較大，基采比約為27.7，煤層開采后相對于東部及中部礦井地表變形有其獨特規律[4-7]：

（1）在采面地表邊界及開采前方有拉伸裂縫，但是裂縫寬度多在7 cm 以內，且局部發育未橫穿整個采面，分析主要是由于2-2 煤層上覆有較厚的基巖，煤層開采后地表整體處于彎曲下沉帶，從而導致地表裂縫與井下裂縫局部貫通。

（2）地表裂縫與采面切眼平行發育，裂縫角較大。隨著采面回采推進，采空區對應地表覆巖在拉伸應力作用下產生的拉伸裂縫變化是一動態過程。在采面開采影響下，在超前采面約48.6 m 范圍內產生有拉應力，當應力值超過松軟層極限抗拉強度時，即會使得松散層出現破壞從而使得地表出現裂縫。采面推進后地表對應巖層處于拉伸變形階段，從而導致裂縫寬度逐漸增加；當采面回采推進過該裂縫位置后，裂縫圍巖受力由拉伸轉為壓縮，從而使得裂縫逐漸閉合。

5 結 語

根據礦井2 采區首采工作面工程地質條件以及采面開采情況，在采面對應地表建立傾向、走向測站，對2-2 煤層開采后引起的地表變形情況進行實測，從而具體得到淺埋煤層開采地表巖移參數。

（1）具體確定巖移參數為：綜合邊界角δ0=58.5°、β0=55.2°、γ0=°56.7°；綜合移動角δ=81.5°、β=81.2°、γ=83.7°，走向、傾向方向綜合邊界角、綜合移動角較為接近的主要原因是2-2煤層為近水平煤層，傾角較小。

（2）采用概率積分法確定的下沉系數η=0.6、tanβ=2.0、b=0.43、S=50、θ=0.5，計算結果與模擬結果接近，表明該礦2-2 煤層賦存條件滿足概率積分法應用要求。

（3）2-2 煤采后地表變形劇烈，移動周期短；地表產生的裂縫多與采面切眼方向平行且位于采面中部位置，裂縫角較大。研究成果可在一定程度上指導礦井護巷煤柱留設以及開展地表構筑物保護工作。