大采高巨厚礫巖頂板跳躍式開采地表沉降規律的研究與應用

王宜清

（棗莊礦業（集團）濟寧七五煤業有限公司，山東 微山 277606）

七五煤業隸屬于山東能源棗莊礦業(集團)有限責任公司。礦區位于濟寧市微山縣歡城鎮、夏鎮和棗莊市滕州張汪鎮的交界處，行政區劃歸濟寧市微山縣歡城鎮、夏鎮和棗莊市滕州張汪鎮管轄。本井田東至滕州東預測區，西部與岱莊煤業、付村煤礦、三河口煤礦交界，南至微山勘探區，北與歡城煤礦和田陳煤礦毗鄰。

七五煤業原為生產建設兵團設計生產能力10萬t/a的礦井，1975年移交山東省勞改局（現山東省監獄管理局）后，改設計生產能力21萬t/a，1979年1月正式投產。1984年改擴建為設計生產能力60萬t/a，1992年達產。1992年10月，能源部將原屬棗莊礦務局建設開發的滕南許樓區劃為七五煤業開發后，再次改擴建為設計生產能力90萬t/a，2002年礦井建設通過驗收。2013年核定礦井年生產能力100萬t。采用立井開拓，分兩個區生產，即-95m水平和-624m水平。井田內地形平坦，大路縱橫，村莊稠密。地勢由東北向西南緩慢降低，地面標高由42.44m降至33.32m，地形坡度約千分之一，屬濱湖沖積平原。根據區域地質資料和鉆孔揭露資料分析，本井田內地層自下至上有奧陶紀馬家溝群、石炭紀月門溝群本溪組、石炭～二疊紀月門溝群太原組、二疊紀月門溝群山西組、二疊紀石盒子群、侏羅紀淄博群三臺組以及第四系。

1 礦山地質環境監測設計

1.1 監測網（剖面）布設原則

布設原則是沿采空區大體走向和傾向布設數條剖面監測線；實際監測中，為了便于各監測樁（釘）的保存，主要采用沿已有機耕道、鄉間道路、公路進行線狀布設進行監測。監測線的布設應同時結合監測區已存在的實際界線或地形地物特征，如地形地貌、地質界線、建筑布局以及道路設施等，監測線應以這些界線或地物特征作為監測線的組成部分或作為其重要補充。依據煤礦接續計劃和已采工作面情況，在達到監測線精度要求的同時，遵循合理布設監測工作，盡量減少監測費用的原則。

1.2 監測點的選擇及布設

根據采煤工作面展布方向、工作面長度、開采煤層深度、開采時間以及地面建構筑物等因素綜合確定。本次設計在硬化路面采用監測釘，在非硬化路面上采用預制監測樁。在非硬化路面布設監測樁時盡量布設在電線桿、井房以及灌溉井旁，減少因農業活動對監測樁的影響。監測線兩端各設置一處工作基點，各監測測點平均按點距50m布設監測工作量。

監測區位于北七采區內，該監測區主要是對2018~2021年計劃開采的701、709、711、713和717工作面以及近期已采工作面進行監測，本次設計在該監測區內布設監測線5條QW04～08，測線總長度共約8.5km，工作基點9個。擬布設監測點164個，其中監測樁數量為20個，監測樁埋設間距約300m，其余144個監測點為監測釘或水泥釘，測點間距50m。

1.3 監測方案

1.3.1 坐標系統與高程基準

平面系統采用1980西安坐標系，高程系統采用1985國家高程基準。

1.3.2 監測要求

地表形變監測方法：地表移動觀測的基本內容是：在采動過程中，定期地、重復地測定觀測線上各測點在不同時期內空間位置變化。地表移動測量工作包括：連續測量、全面測量及日常測量的地表變形的測定和編錄。

1.4 監測工程實施

本次監測點采用預制水泥墩方式進行埋設，并在埋設時進行影像記錄和點位記錄。采空塌陷監測點觀測樁結構及埋設圖。

根據監測區實際情況，采空塌陷采用電子水準儀＋銦鋼尺進行垂直形變監測，采用全球定位系統實時動態測量（RTK）技術和導線測量技術對采空塌陷進行水平位移監測。觀測監測區整體的采空塌陷情況，可以在較大的空間區域內建立變形體間的關聯性。

采用SDCORS網絡RTK技術采集測區周邊已有4個控制點。GPS衛星接收天線采用三腳架固定，每個控制點觀測兩次，每次觀測15min，2次觀測成果較差合格后取中數使用，然后采用TGO軟件中點校正功能，求取測區七參數，校正后點位殘差最大1.1cm，符合規范要求。利用SDCORS技術，輸入求取的七參數，采集測區內控制點3個，經檢核精度符合規范要求，可以使用。

采用SDCORS網絡RTK技術，進行數據采集，每個觀測點獨立觀測2次，每次觀測數據均在30個歷元以上，兩次觀測坐標互差不大于2cm，觀測成果取其2次觀測結果的平均數。基準點和工作基點共布設29個。本項目沉降觀測起算點為PD23，水準等級為三等，其與基準點及工作基點形成閉合水準路線，并在沉降觀測點觀測時檢查基準點及工作基點的穩定情況，確保沉降觀測的基準點及工作基點的穩定和有效。基準點及工作基點設置完成，達到穩定后與起算水準點進行水準聯測。

2 建（構）筑物變形監測

2.1 監測內容與方法

根據地面變形和地裂縫的發育和分布，對可能受其影響的建（構）筑物的變形情況進行巡視。對村莊建筑物墻壁開裂監測采用人工巡查、米尺丈量的方法進行。監測頻率為1次/月，雨季及發現變形異常時須加密觀測。

2.2 監測點的選擇與布設

根據監測設計監測點布設情況，在全區布設地表變形影響監測點7處，監測點主要分布在井田內各村莊、道路等處，監測點已建設完成，與設計數量一致。

3 工作面地表變形概率積分法預計

3.1 工作面地表變形概率積分法預計

通過使用地表概率積分預計軟件MSDFVS對701工作面條帶開采的下沉值、水平變形值、水平移動值、傾斜值、曲率變形值進行了全盆地預計，得到了條帶開采地表移動與變形值分布等值線圖。

3.2 工作面實測數據與預計數據對比

701工作面的實測地表變形數據與預計數據如表1所示，并計算了二者相對誤差。

表1 七五煤礦701工作面預計巖移參數表

從表2對比分析可知，相對誤差均符合要求，下沉等值線圖符合實際情況。

表2 預計下沉值與實測下沉值對比

4 結語

許樓新區315工作面巖移參數與701工作面巖移參數如表3所示。

表3 701、315工作面巖移參數對比分析表

（1）通過對比分析，許樓新區315工作面和701工作面下沉系數和水平移動系數值相差很小。這是由于七五煤業許樓新區315工作面和701工作面所處同一采區，所以具有相似的地表下沉規律。

（2）地表沉陷是煤層開采后覆巖移動傳播到地表的綜合表現形式，大體上可分為兩類：一類是連續形變；另一類是非連續形變。地表形變量的大小和方向與礦層開采條件、覆巖性質和開采間隔時間密切相關，根據覆巖巖性結構組合和力學特征與礦層之間的時空關系，可以把上覆巖層分為4類：堅硬-堅硬型覆巖均為堅硬巖層，強度高，巖性致密且整體性好，礦層開采后覆巖不易垮落；軟弱-軟弱型，即整個上覆巖層皆為軟弱巖層，礦層開采后覆巖移動在較短的時間內就能傳播到地表；軟弱-堅硬型(下部巖層為軟弱巖層上部巖層為堅硬巖層)；堅硬-軟弱型(下硬上軟)。

研究表明微山湖礦區位于大范圍巨厚堅硬礫巖層上方，礫巖厚度從100~300m不等，七五煤礦是微山湖礦區的重要組成部分，其3煤上方為均厚220m堅硬巨厚礫巖層，煤層開采過后出現一定程度采空區，由于工作面深度較大(700m)因而壓力巨大，煤層開采后的采空區給巖層壓力釋放提供了空間，因此出現地表沉陷，然而堅硬且大面積連成片狀的巨厚礫巖層承載住了絕大部分壓力，同時由于礫巖層壓力得到釋放，會一定程度向采空區膨脹，膨脹到一定程度后會穩定下來，由于礫巖層的膨脹會導致其密度和承載來自地表壓力的能力變小，因此地表出現一定程度的下沉，但其遠小于其他煤礦采區下沉量。