井下采動對地表巖層移動的影響研究

梁福兵，武亞男，王靜波

（山西長治聯盛首陽山煤業有限公司，山西 長治 046000）

0 引言

隨著煤層開采效率的提升，工作面在經過采動的劇烈影響后，將會造成地表位置的巖層移動。生產礦井為確保煤炭開采的合理性和煤柱留設的具體尺寸，將會對礦區內的圍巖及地表移動規律及有關參數進行觀測分析，掌握地表和巖層移動的基本規律[1-3]。為了削弱煤炭開采對地表構筑物等造成的影響，根據首陽山煤業3 號煤層具體地質條件，將在首陽山某礦3102（全文簡稱3102）工作面建立地表移動觀測站，從2020 年1 月—2020 年10 月對地表沉陷進行現場觀測。目的在于從而在最大限度地采出煤炭資源的前提下，又能有效保護地表建筑物。因此，本項目對提高煤炭資源采出率和開采效益等均具有十分重要的理論和實際意義。

1 礦井概況及工作面條件

首陽山煤礦位于山西省長治市，井田面積為6.68 km2，目前所開采的3 號煤層平均厚度為4.6 m，煤層平均傾角4°。本次所監測的3102 回采工作面寬90 m，長807 m（實際開切眼與停采線距離），平均采深98 m。設站工作面為本礦3 號煤層頂板巖性為灰巖、泥巖等煤系地層，屬中硬-堅硬巖石，采煤方法設計為走向長壁綜合機械化綜采放頂煤采煤法。

2 地表移動觀測站設計

2.1 觀測站的布置

觀測站的布置方式主要分為網狀觀測站和剖面線狀觀測站，目前更多礦井地面采用的是剖面線狀觀測站。當回采工作面處于充分采動的前提下，觀測線可以設置在盆地的平底部分；如果采動不充分，觀測線通常設在移動盆地的主斷面位置。觀測中將于采動影響范圍內設置觀測點，在采動過程中該點應與地表同時移動。根據礦區地形特點，選擇剖面型線狀普通地表移動觀測站進行布置，并設計走向觀測線和傾斜觀測線互相垂直。

2.2 觀測線位置的確定

3102 工作面長807 m，平均埋深為98 m，沿著傾向推進，則判斷傾斜方向為充分采動、走向方向為非充分采動。參照首陽山煤業3102 工作面地質采礦條件以及《煤礦測量規程》的規定，共在地表移動盆地的主斷面布置一條走向觀測線及兩條傾斜觀測線，并按規定垂直布置。

2.2.1 傾斜觀測線位置的確定

剖面線狀觀測站的設計圖如圖1 所示。

圖1 觀測站平面設計圖

為使傾向觀測線處于充分采動區域，且不受周邊采動的影響，傾向觀測線到開切眼的距離D1應按公式（1）進行計算

式中：H0為平均開采深度，96.5 m；h 為松散層厚度，15.83 m；φ 為松散層移動角，45°；δ 為走向移動角，72°；Δδ 為移動角修正值，20°。

將3102 回采工作面的已知數據及已取得的該地區的開采沉陷參數分別代入式（1）得到D1=78.86 m。

傾向觀測線到停采線的距離D2應根據式（2）計算：

式中：φ3為走向充分采動角，50°。

將3102 回采工作面的已知數據及已取得的該地區的開采沉陷參數分別代入公式得到D2=80.97 m。

綜上所述，可以得到3102 回采工作面內傾向觀測線距離開切眼的距離范圍為：

式中：l 為工作面走向長度，283 m。

計算得：L≈202 m。

故最終傾向觀測線B、C 線的位置分別取距3102回采工作面開切眼165 m、120 m 處。

2.2.2 走向觀測線位置的確定

走向觀測線應按設計將布置在移動盆地的走向主斷面上。以采空區中心用最大下沉角與地表相交處的O 點作平行煤層走向的垂直斷面，標注走向觀測線的位置。

2.3 傾向觀測線長度的確定

根據鉆空資料，采區下山邊界開采深度為106 m，采區上山邊界的開采深度為87 m，經過對角度、表土層數據的修正，實際布設時，3102 回采工作面上傾向觀測線B、C 線長度取300 m。

2.4 走向觀測線長度的確定

為了保證觀測線位于移動盆地主斷面且不受鄰近區域采動的影響，將在工作面開切眼和停采線處設置一條走向觀測線。實際布設時，3102 回采工作面上走向觀測線A 線長度取525 m。

2.5 測點數目及密度

3102 開采深度98 m 左右，根據《煤礦測量規程》，在觀測線工作長度以外設置觀測站布控點，點間距布置為15 m。布控點沿觀測線排列，前后兩端不少于兩個。在觀測站存在期間，以布控點的原坐標作為觀測原點，為保證觀測數據的持續穩定，將定期對巖層移動進行記錄。

3 巖層移動結果

3102 工作面地表移動觀測站于2020 年1 月正式建立并進行了首次全面監測。同時作為原始數據進行記錄，直至當年10 月30 日結束觀測。期間共進行了12 次巖層移動觀測，最終匯總見表1。

表1 3102 工作面開采后地表移動和變形最大值

由表1 可知，當回采工作面自切眼向前推進時，會逐步形成地表移動盆地。工作面推進至開采深度的25%～50%時，地表處將會受到影響出現下沉。隨后，在工作面的不斷推進中，采空區面積隨之增大，地表的影響范圍不斷擴大，下沉值呈上升態勢。

圖2-1 為走向方向下沉曲線圖，可以看出當非充分采動時，下沉值隨工作面的推進而增大，下沉極點隨之前移，地表移動盆地的范圍和移動量呈上升狀態；當采動逐步活躍后，下沉曲線斜率也較大，下沉變化劇烈且更為集中。當工作面的回采至充分采動時區時，最大下沉值不再增加，在工作面回采結束后，工作面開采所形成的地表移動盆地的剖面形狀呈盆狀。最后一次觀測結束后，走向觀測線最大下沉值發生在為3 292 mm。

圖2-2，圖2-3 為2 條傾向方向下沉曲線圖，給出了傾向B 線、C 線上的各測點的下沉值。

從傾向方向的下沉曲線圖2-2 和圖2-3 可以看出：下沉值隨著工作面的推進而增大，最大下沉點位于走向主斷面上。C 線、B 線分別距離開切眼為170.6 m、215.6 m，所以工作面此時已達到充分采動。兩條線的下沉趨勢趨于一致，其中C 線、B 線最大下沉值分別為3 284 mm、3 369 mm。曲線符合地表下沉規律。

4 結論

在收集首陽山煤業3102 工作面的地質采礦資料和圖紙的基礎上，設計了巖移觀測站，獲得了比較準確、可靠的觀測資料進行了分析研究，主要得出以下結論：

1）根據首陽山煤業的地質采礦條件和上覆巖層結構，建立了地表移動觀測站，觀測線沿走向和傾向各一條，實際共埋設78 個測點，分別得出了工作面開采后三條測線最大下沉值、最大傾斜值等特征值。實測結果與預期值相吻合，回采工作完成后地表雖存在一定變形，但仍可滿足后續開采的要求。

2）根據對觀測數據的分析研究，總結給出了3102工作面巖層與地表移動規律及其參數，獲得了巖層移動角、邊界角等角量參數。