厚煤層大采高開采地表下沉觀測與結果分析

李建力，黃乃寶

（1.山西晉煤太鋼能源有限公司，山西 晉城 048006；2.晉城澤祥勘探測繪有限公司，山西 晉城 048006）

煤炭資源從地下采出后，周圍巖體的原巖應力平衡狀態會遭到破壞，從而誘發地表沉陷，并可能導致出現一系列的環境災害問題。因此，開采后地表沉陷損害治理與地表環境保護問題一直是世界范圍內亟待解決的問題[1]。目前，關于開采引起的覆巖與地表移動規律等方面已有大量的研究成果[2]，但是大采高淺埋煤層開采引起的覆巖與地表移動規律具有自身的特點，需要進一步系統研究。本文以寺河煤礦5304 大采高工作面為例，建立地表移動觀測站，對地表移動變形規律及巖層角值參數進行研究分析。研究成果對寺河礦區的保護煤柱設計以及“三下”開采具有一定的指導意義。

1 地質采礦條件

山西晉城寺河礦是國家“九五”期間重點建設項目，年生產能力為10.80 Mt。礦井位于沁水煤田東南邊緣，工業場地位于沁水縣嘉峰鎮殷莊村。全井田可采煤層由二疊系至石炭系分為3#、9#、15#共3 層，總厚度10.32 m。其中，主采3#煤層厚度5.0～7.22 m，平均厚度6.21 m。

1.1 工作面位置

寺河礦5304 工作面位于東五盤區，工作面走向為1 050 m，傾向長300 m。始采時間2017年2月、結束回采時間2017年6月。底板標高為+294～+348 m，地面標高為+570～+660 m。工作面平均采厚為5.82 m，平均采深為288 m。煤層走向270°，傾角為0°～10°，為近水平煤層。工作面采用綜合機械化采煤方法開采，全部垮落法管理頂板，工作面位置見圖1。

圖1 寺河礦5304 工作面位置

1.2 煤層頂、底板情況

3#煤層，煤質堅硬，為穩定煤層，f=1～2。煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況

2 巖層移動觀測站設計

為對地表移動變形的情況進行全過程的監測，結合工作面地質采礦條件和地表上方的地形地貌特點，根據文獻[3]在5304 工作面地表上方建立剖面線狀地表移動觀測站。觀測站共布置三條測線，其中沿工作面推進方向上布置一條A線，長為775 m，測點間距為25 m，共32 個測點；在垂直于工作面推進方向上一條B線，長為775 m，測點間距25 m，共32 個測點（含AB交點）；在靠近停采線位置布置一條X線，長為457 m，間距65 m，共8 個測點，見圖2。

圖2 寺河礦5304 工作面地表巖移觀測站布置

3 地表移動變形規律及角值參數分析

3.1 地表觀測站觀測成果分析

從2017年1月21日開始對寺河礦5304 工作面對應的地面測點進行第一次全面觀測，獲取了觀測點的初始平面坐標和高程坐標。截止到2017年9月26日，工作面回采結束3 個月后，三條測線A線、B線分別測量了12 次，X線測量了8 次。根據各測點下沉值繪制成下沉曲線，見圖3。

圖3 觀測線下沉曲線

從圖3可以看出，隨著工作面的開采，下沉值會越來越大，最大下沉點也會隨之前移。在最后一次觀測時，5304 工作面已達到充分采動，最大下沉點為A19 測點，最大值為4 365.6 mm。此時該工作面已達到穩定狀態。

從圖3（a）看出，在停采線位置附近，地表下沉較小，靠近工作面，下沉曲線急劇變陡。這是由于大采高開采造成大開采空間，上覆巖層隨著工作面推進位置“隨采隨垮”，繼而影響到地表。

在圖3（b）垂直于工作面推進方向B線下沉曲線上明顯看出，下沉盆地呈陡峭盆地型，最大下沉值并沒有在工作面中心，而是向下順槽偏移。

3.2 角值參數分析

（1）移動角

根據移動角的定義，從曲率、傾斜和水平變形的數值上，求取傾斜3 mm/m、曲率0.2 mm/m2、水平變形2 mm/m 的最外點。

在工作面推進方向上（走向方向），經過計算水平變形量為2 mm/m 的位置約在距停采線80 m處，由于停采線附近采深約253 m，所以計算出走向綜合移動角約為72.5°；考慮松散層移動角，一般取為45°，松散層的厚度約為5.2 m，因此根據求取移動角的定義，計算得走向移動角約為73.2°。

同理，在垂直于工作面推進方向上（傾向方向），計算出傾向綜合移動角為73.6°，傾向移動角為73.8°。

（2）邊界角

根據邊界角的定義，可從實測的下沉數據中尋求下沉量為10 mm 點的位置。

在工作面推進方向上（走向方向），分析實測數據可知，下沉量為10 mm 的位置約在圖2、圖3上應標出A6 附近，此點距離工作面停采線的距離約為106 m，工作面停采線附近采深約為253 m，計算出走向綜合邊界角約為67.3°，走向邊界角約為67.8°。

同理，在垂直于工作面推進方向上（傾向方向），計算出傾向綜合邊界角為69.9°，傾向移動角為70.2°。

（3）充分采動角

由實測下沉數據可知，最大下沉點為A19 號測點，該點到停采線的距離約為218.5 m，平均采深約為288 m。根據充分采動角的定義，充分采動角約為52.8°。

4 地表移動變形預計結果及分析

為了分析地下開采引起的地表移動、變形值和影響范圍，以及對地表建筑物的影響程度，必須進行地表移動和變形計算。本文采用概率積分法對5304 工作面開采區域進行地表移動變形預計。

4.1 預計參數的選取

預計所需參數為：下沉系數q、水平移動系數b、主要影響角正切tanβ、拐點偏移距s等。結合現場實際資料以及經驗取值，預計參數選取見表2。

表2 5304 工作面地表移動預計參數

4.2 地表移動變形預計結果

根據以上所確定的預計參數，對5304 工作面回采穩定后引起的地表沉陷進行預計，其中下沉等值線見圖4，工作面開采后引起地表移動、變形值預計和實測最大值見表3。

表3 5304 工作面開采后地表移動、變形值

圖4 5304 工作面開采后地表下沉等值線

4.3 地表移動變形最大值

根據表3可知，當工作面開采后，預計和實測之間的最大下沉值誤差只有15 mm 左右，其余相對誤差很小，證明了概率積分法的可行性。

5 結語

基于地表移動觀測站實測資料，對寺河礦厚煤層大采高5304 工作面開采后引起的地表移動變形規律及巖層角值參數進行了研究分析，研究結果表明：

由于大采高開采造成大開采空間，引起地表下沉盆地比較陡峭，地表傾斜值較大；根據觀測站實測數據，得到該礦工作面開采后引起的地表最大下沉值為4 365.6 mm，最大傾斜值為37.2 mm。礦區傾向移動角為73.8°，邊界角為70.2°，走向移動角為73.2°，邊界角為67.8°，充分采動角為52.8°，最大下沉角為86.6°；通過實測資料分析，得到了該礦的概率積分法預計參數：下沉系數為0.83、水平移動系數為0.21、主要影響角正切為2.4 等。預計結果與實測結果相對誤差全在10%以內，誤差很小，證明了概率積分法的可行性。