大采深非充分采動(dòng)條件下地表移動(dòng)和變形規(guī)律研究

陳興隆，孫小巖

（河南大有能源股份有限公司 總工程師辦公室，河南 義馬472300）

河南能源新義煤礦為一座年生產(chǎn)能力達(dá)1.2Mt的新建礦井，由于煤層的開(kāi)采深度較大，且沒(méi)有相對(duì)可靠的地表移動(dòng)變形參數(shù)，所以，有必要在11011首采工作面建立地表移動(dòng)觀測(cè)站，對(duì)該礦開(kāi)采引起的地表移動(dòng)和變形進(jìn)行觀測(cè)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到礦井地表移動(dòng)角值參數(shù)和概率積分參數(shù)，為以后村莊留設(shè)保護(hù)煤柱以及村莊下壓煤安全合理的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參數(shù)。

1 工作面地質(zhì)采礦條件

11011工作面為新義煤礦首采工作面，走向長(zhǎng)度120 m，傾斜長(zhǎng)度797～831m，開(kāi)采煤層為二1煤層，厚度在0.1～5.7m之間，平均厚度為2.6m，煤層傾角4°～16°，平均傾角5°。工作面標(biāo)高－231.704m～－304.58m，地面標(biāo)高＋390m～＋413m，平均采深為669m。11011工作面上覆巖層的平均厚度645.7m，其中第四系松散層厚度35.3m，砂巖厚304.5m，泥巖厚305.9m。偽頂局部發(fā)育，厚度0～2.5m，直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度1.52～4.96m，平均3.71m，老頂為大占砂巖。工作面開(kāi)采煤層直接頂為較軟的泥巖，老頂為堅(jiān)硬砂巖，上覆巖層巖性綜合評(píng)定為中硬巖層。11011工作面開(kāi)采時(shí)間為2009年10月，已于2012年1月回采結(jié)束。

2 觀測(cè)站的建立

開(kāi)采之前，在開(kāi)采影響范圍內(nèi)的地表，按照一定要求設(shè)置一系列相互聯(lián)系的觀測(cè)點(diǎn)。在采動(dòng)過(guò)程中，定期地進(jìn)行觀測(cè)，確定其空間位置及其相對(duì)位置的變化〔1〕，通過(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到井下工作面開(kāi)采引起的地表移動(dòng)和變形規(guī)律。由于11011工作面平均采深669m，采深較大，測(cè)點(diǎn)間距取40m，走向觀測(cè)線長(zhǎng)度560m，布置15個(gè)測(cè)點(diǎn)，傾斜觀測(cè)線長(zhǎng)度1720m，布置44個(gè)測(cè)點(diǎn)。觀測(cè)站測(cè)點(diǎn)于工作面回采前埋設(shè)，2009年9月20日和24日進(jìn)行了兩次全面觀測(cè)，以兩次觀測(cè)數(shù)據(jù)的平均值作為起算數(shù)據(jù)。從2009年12月5日到2012年8月2日，共進(jìn)行了16次水準(zhǔn)觀測(cè)，為研究大采深開(kāi)采地表移動(dòng)和變形提供了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

3 觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

由于觀測(cè)點(diǎn)埋設(shè)地區(qū)為丘陵，地表起伏較大，且工作面采深較大，地表沒(méi)有發(fā)現(xiàn)非連續(xù)性破壞特征，因此按照下沉的一般規(guī)律對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析前，對(duì)于誤差大的觀測(cè)數(shù)據(jù)采取剔除處理〔2〕。

3.1 地表移動(dòng)盆地角值參數(shù)

非充分采動(dòng)條件時(shí)下沉系數(shù)用下式計(jì)算

式中：Wm為最大下沉值，實(shí)測(cè)值365mm；m為工作面開(kāi)采厚度，9.5m；α為煤層傾角，5°；n1、n3為沿傾向和走向的采動(dòng)程度系數(shù)，其值若大于1，則取1；D1、D3為采空區(qū)沿傾向和走向的實(shí)際長(zhǎng)度，代入計(jì)算得到q＝0.11。

以下沉10mm的點(diǎn)作為移動(dòng)盆地的邊界點(diǎn)，確定出上山邊界角為72.2°，走向邊界角為66.6°。

根據(jù)實(shí)測(cè)資料，觀測(cè)站傾斜方向最大下沉點(diǎn)為B18，該點(diǎn)距離采空區(qū)中心距離114.5m，且偏于上山方向，工作面平均采深669m，因此最大下沉角θ＝99.7°。由于工作面采深較大，工作面開(kāi)采為非充分采動(dòng)，觀測(cè)站的移動(dòng)和變形較小，沒(méi)有直接觀測(cè)到移動(dòng)角。

3.2 Matlab擬合求取參數(shù)

走向方向下沉預(yù)計(jì)函數(shù)見(jiàn)式（2），傾斜方向下沉預(yù)計(jì)函數(shù)見(jiàn)式（3）。

通過(guò)對(duì)走向和傾向方向下沉曲線擬合（圖2、圖3），確定出新義礦地質(zhì)采礦條件下的概率積分法參數(shù)（見(jiàn)表1）。

圖2 傾向方向擬合曲線

圖3 走向方向擬合曲線

表1 概率積分法參數(shù)匯總

根據(jù)得到的概率積分法參數(shù)，對(duì)工作面開(kāi)采后任意點(diǎn)的移動(dòng)和變形進(jìn)行預(yù)計(jì)，根據(jù)預(yù)計(jì)結(jié)果判別建筑物是否受開(kāi)采影響和受開(kāi)采影響的程度。

下沉等值線、走向傾角等值線和走向水平變形等值線見(jiàn)圖4、圖5、圖6。

圖4 下沉等值線

圖5 走向傾斜等值線

圖6 走向水平變形等值線

從圖4～6可以看出，工作面開(kāi)采以后，地表最大下沉值380mm，傾斜最大值1.6mm／m，小于3.0mm／m；水平變形最大值1.6mm／m，小于2.0mm／m，地表傾斜和水平變形都較小，損害程度在Ⅰ級(jí)以內(nèi)，所以工作面開(kāi)采對(duì)地表建筑物影響較小。

4 結(jié)語(yǔ)

1）11011首采工作面采深大，上覆巖層中存在著堅(jiān)硬的砂巖，地表移動(dòng)和變形值較小，下沉系數(shù)僅為0.11，上山邊界角為72.2°，走向邊界角為66.6°，最大下沉角θ＝99.7°。

2）通過(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出：新義煤礦的下沉系數(shù)q＝0.11，水平移動(dòng)系數(shù)b＝0.25，主要影響角正切tanβ＝2.24，開(kāi)采影響傳播角θ0＝87°，拐點(diǎn)偏移距s＝0.05 H0。

3）根據(jù)概率積分法預(yù)計(jì)結(jié)果，工作面開(kāi)采對(duì)地表建筑物的影響程度在Ⅰ級(jí)以內(nèi)。

〔1〕郭文兵，譚志祥，柴華斌，等 .煤礦開(kāi)采損害與保護(hù)〔M〕.北京：煤炭工業(yè)出版社，2013.

〔2〕查劍鋒，郭廣禮 .綜放開(kāi)采地表移動(dòng)規(guī)律實(shí)測(cè)研究〔J〕.礦山壓力與頂板管理，2005（4），91－93.

〔3〕國(guó)家煤炭工業(yè)局 .建筑物、水體、鐵路及主要井巷留設(shè)與壓煤開(kāi)采工程〔M〕.北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.