毛則渠煤礦201 綜采工作面地表移動規律研究

鄭東平

（山西鄉寧焦煤集團有限責任公司，山西 鄉寧 042100）

1 工程概況

毛則渠煤炭有限公司目前主采2#煤層，井田北部東翼的201 綜采工作面煤厚4.53～8.65/7.06 m，煤層埋深200 m 左右。根據2#煤層賦存情況，201 工作面東西長1713 m，南北寬118 m，煤層底板標高+699～+758 m，地表溝壑縱橫，地表標高+854～+958 m，工作面采深160～260 m。由于毛則渠煤礦2#煤層剩余實體煤大部分在村莊下，礦方計劃對喬子坡、史家灣、柴嶺、湛泉四個村莊進行搬遷。根據毛則渠煤礦201 工作面區域地質采礦條件，在毛則渠煤礦201 工作面上方地表布設地表移動觀測站，獲取觀測點下沉值和水平移動值，再對這些實測資料進行總結分析，以得出觀測站實測參數和移動變形規律，包括確定實測的地表沉陷移動角值、裂縫角值和邊界角值及最大下沉速度數值等，沉陷預計實測參數、分布函數的最終形式，獲得毛則渠煤礦201 工作面實測地表移動變形分布規律等。

2 觀測線布設情況及監測數據

2.1 地面測點布置情況

觀測線上的測點數目及其密度主要取決于開采深度和設站的目的[1-2]。201 工作面煤層埋深160～260 m，平均200 m，應按照15～20 m 點間距布設測點。本項目主要研究目標為：通過對201 工作面地表巖移的觀測，確定實測地表沉陷移動角值、裂縫角值、邊界角值、最大下沉速度數值及地表沉陷穩定時間，掌握地表移動變形規律。綜合考慮以上因素，按照20～40 m 點間距布置測點。

地表移動觀測站共布置測線3 條，測線累計長度1358 m，46 個測點，利用永久控制點2 個（實際布置見圖1）。其中，走向觀測線1 條：沿工作面走向長度686 m，22 個測點；傾向觀測線2 條：傾向觀測線B 線，沿工作面傾斜長度約290 m，8 個測點，傾向觀測線C 線，沿工作面傾斜長度約382 m，17 個測點。以上測線中，部分測點有重合。

2.2 觀測內容及觀測結果

截至目前，共實施了4 次全面觀測，全面觀測分別于2017 年3 月15 日、2017 年9 月4 日、2017年12 月25 日和2018 年5 月28 日實施。監測過程中部分測點遭到沉陷破壞，考慮到現場測量人員安全，舍棄部分測點。對獲得的歷次數據進行預處理，以第三、四次全面觀測為例，得到測點平面坐標和高程信息見表1、表2。

表1 第三次全面觀測三維平差結果（2017 年12 月25 日）

表2 第四次全面觀測三維平差結果（2017 年5 月28 日）

3 地表移動盆地特征綜合分析

3.1 地表移動盆地邊界角

如圖2 所示，邊界角是衡量煤層開采后對應地表發生沉降范圍的主要參數，考慮到地表實地測量時會存在人為、機械等誤差，將下沉量等于10 mm的點作為地表移動盆地的邊界，由此確定201 工作面地表移動盆地邊界在工作面長度方向（走向）的水平影響長度145 m，求得走向方向綜合邊界角δ0=54°，下山方向水平影響長度β0=164 m，求得下山方向綜合邊界角γ0=59°。

圖2 地表移動盆地邊界的確定

3.2 地表移動超前影響距和超前影響角分析

回采工作面推進期間，地表移動盆地主斷面沿工作面推進方向邊界處與回采工作面之間的水平距離定義為地表移動超前影響距，邊界點與工作面之間的連線與工作面推進方向水平線的夾角定義為超前影響角。超前影響角和超前影響距是表征工作面采動對于地表對應位置影響范圍的參數，如圖3，隨著工作面的推進，其數值也同步發生變化。當工作面推進至B 點時，對應下沉曲線為w1，超前影響距和超前影響角分別為l1、ω1。工作面繼續推進至C 點、D 點，地表下沉曲線也同步向前移動，超前影響角（ω）和超前影響距（L）的關系如下[3-4]：

圖3 工作面推進過程中地表移動和變形

式中：L為超前影響距；H0為工作面埋深。一般覆巖越堅硬，影響范圍越小，超前影響角越大；采深越大，超前影響角越大；采厚越大，超前影響角越小。2017 年9 月7 日沉陷觀測結果顯示，工作面開采至走向1688 m（距停采線一側25 m）時，在停采線一側水平影響距約127 m，即地表移動超前影響距為127 m，對應地表移動超前影響角為58°。

3.3 地表移動持續時間的特性分析

地表移動持續時間是指采空區對應地表區域下沉最大處從開始沉降至其停止沉降所用時長。由歷次監測數據可得，截至2018 年5 月28 日，201 工作面地表最大下沉值的測點為A28 測點，該測點下沉值達到了4063 mm。結合地表移動超前影響距分析結果，A28 測點開始移動時間為2017 年5 月9日，繪制的A28 測點下沉速度曲線如圖4。由圖可知，A28 測點下沉速度于2018 年5 月8 日小于1.67 mm/d，進入地表移動衰退階段。

以近期2 次觀測數據（2017 年12 月25 日和2018 年5 月28 日）為例，A24 測點在2017 年12月25 日和2018 年5 月28 日這一時間段內下沉了347 mm，歷時145 d，下沉速度為2.25 mm/d，可見該觀測站還處于活躍期。回歸求得：

式中：T為地表移動時間，d。由地表移動持續時間定義，可由V=27.273e-0.009T=0.17 mm/d，求得地表移動持續時間T=-ln（0.17/27.273）/0.009=564 d，即201 工作面地表移動持續時間為T=564 d。201 工作面平均開采深度H0=200 m，則T=2.8H0。

圖5 測點A28 下沉速度曲線

4 結論及建議

在毛則渠煤礦201 工作面上方共設立3 條觀測線，觀測線總長度1358 m、測點總數46 個。從2017 年3 月中旬開始至2018 年5 月底現場觀測結束，歷時近15 個月獲取的沉陷實測數據的基礎上，進行地表巖移數據分析和總結，獲得了毛則渠煤炭有限公司地表移動基本參數：走向方向（停采線一側）水平影響距離145 m，走向方向綜合邊界角54°；下山方向水平影響距離164 m，下山方向上綜合邊界角59°；地表移動超前影響距127 m，對應地表移動超前影響角58°；地表移動持續時間T=2.8H0。所得參數可為井田西北部趙院新農村保護煤柱的安全和合理留設提供基礎參數。但由于地表還未達到穩定狀態，地表沉陷還在持續，建議條件許可的條件下，可對201 觀測站進行后續觀測，以對本研究結果進行驗證。