布爾臺礦采空區(qū)下開采的地表移動規(guī)律初探

郭瑞瑞

(神東煤炭集團有限責(zé)任公司 布爾臺煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

厚煤層綜放開采已成為神東現(xiàn)代化高產(chǎn)高效集約化礦井的主流采煤方法，但對淺埋厚煤層采用綜放開采技術(shù)進行開采特別是在采空區(qū)下的下組煤開采地表變形移動更復(fù)雜[1-2]，造成的覆巖破壞和地表沉降變形劇烈，環(huán)境破壞尤為嚴重[3-4]。針對淺埋開采沉陷問題，許多學(xué)者在現(xiàn)場實測和原有開采沉陷理論的基礎(chǔ)上，綜合運用概率積分法、線性回歸法以及數(shù)值模擬等手段進行了大量研究，得出了針對某一煤礦的預(yù)測地表沉陷最大下沉值的經(jīng)驗式或者塌陷區(qū)的塌陷指數(shù)[5-7]。但以往的開采沉陷理論、原有的覆巖破壞、地表沉陷規(guī)律和有關(guān)預(yù)測參數(shù)已不能滿足淺埋采空區(qū)下厚煤層綜放開采安全生產(chǎn)的需要，而且針對采空區(qū)下下組煤開采引起的地表沉陷規(guī)律的相關(guān)研究也尚不多見。

本文以神東煤炭公司布爾臺礦42105工作面為例，主要采用現(xiàn)場實測和理論計算分析等方法，研究淺埋采空區(qū)下厚煤層開采對地表沉降的影響規(guī)律，求得相應(yīng)地表移動參數(shù)，掌握礦井下組煤開采的地表移動變形規(guī)律，為神東礦區(qū)下組煤開采時制定巖層控制技術(shù)提供決策依據(jù)和支持。

1 工作面概況及地面觀測站布點

1.1 工作面概況

42105工作面位于42煤層一盤區(qū)，42104工作面(已采)西南，42106工作面(未采)東北；煤層傾角1°～9°，平均5°，走向長度5231m，傾向長度230m，煤層平均采深420m。工作面煤層煤厚5.9～7.3m，平均6.7m，采用綜合機械化放頂采煤，割煤高度為3.7m，放頂煤厚度為3m，采放比為 1∶0.81。工作面基本頂以細粒砂巖為主，直接頂為砂質(zhì)泥巖，直接底主要為砂質(zhì)泥巖。

42105工作面與上覆22煤層間距為43～73m，22煤采厚3.4m，采用后退式綜合機械化全部垮落法開采，已于3年前開采完畢。工作面間隔煤柱寬度為25m，上覆巖層垮落充分，地表達到穩(wěn)定狀態(tài)。42105工作面巷道布置及與 2號煤層工作面相對位置關(guān)系如圖1所示。

1.2 地面觀測站布點

圖1 42105工作面巷道布置與2號煤層采空區(qū)相對位置關(guān)系

為取得42105工作面的地表移動參數(shù)，在結(jié)合工作面地表的地形地貌特點和可能沉陷特征的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)場進行詳細踏勘和綜合對比分析，設(shè)計合理的42105工作面地面沉陷布置觀測點，如圖2所示，共設(shè)計2條地表移動觀測線，分別為A線和B線。其中A線位于42105工作面中部，主要觀測移動盆地走向主軸線上的沉降，包括47個觀測點(A1，A2，……，A47)和2個控制點(S1,S2)，測線實際長度995.37m；B線垂直于A線呈T字形布置，主要觀測移動盆地傾向主軸線的變形，包括27個觀測點(B1，B2，……，B27)和2個控制點(R1,R2)，觀測實際長度868.147m。

圖2 42105工作面觀測站布點平面示意

2 觀測方法及結(jié)果分析

2.1 觀測數(shù)據(jù)方法與預(yù)處理

由于是觀測采空區(qū)下工作面開采的實際情況，充分估計可能發(fā)生的測點損壞和地表移動可能性，確定如下觀測方法與數(shù)據(jù)處理原則：

(1)42105工作面于5月30日開始試采，每天進尺在10～20m，平均為12.8m，因此要求觀測頻率不能太低，確定觀測時間為對采面上部100m范圍內(nèi)測點每天觀測1次，100m之外測點2d觀測1次。

(2)對觀測過程中測得的測點數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)偏移量異常的要及時分析原因予以糾正，如不能糾正的應(yīng)舍棄此測點數(shù)據(jù)。

2.2 基于測線觀測結(jié)果的運移規(guī)律分析

依據(jù)42105工作面開采過程的觀測數(shù)據(jù)繪制觀測線A和B的部分測點的地表沉降曲線如圖3和圖4所示。圖3中橫坐標0點位置為S1點，方向為沿綜放工作面走向方向；圖4中橫坐標0點位置為R1點，方向為沿綜放工作面傾向方向。

圖3 A線地表沉降曲線

圖4 B線下沉曲線

從圖3和圖4中看出，采空區(qū)下工作面開采形成的地表移動沉降區(qū)域的剖面形狀類似一個盤形，呈現(xiàn)出地表超充分采動盆地特點。由于本工作面位于22煤層采空區(qū)下，下沉特點與單一煤層開采有如下不同：

(1)地表開始下沉階段，地表沉降啟動早，下沉啟動時間為6月5號，下沉啟動距離為工作面推進80.4m，啟動點為A18點。

(2)地表沉降開始后，地表下沉速度快，以A22點為例，其下沉的最大速度為6月16日至17日的521mm/d。

(3)以最大沉降量的90%為初步穩(wěn)定計算，地表初步穩(wěn)定的時間短。以A22點為例，測點從6月8日啟動到達到初步穩(wěn)定時間7月4日為26d。

2.2.1 A線測量觀測總結(jié)

從圖3中還可以看出，最先達到初步穩(wěn)定的點為A22點，之前的點受到開采邊界的影響下沉量相對較小，其后的點均可達到充分沉降，截止8月28日，最大下沉點向前推移至A29點，最大下沉量為2.74m，隨著開采繼續(xù)，最大下沉區(qū)域逐漸擴大，繼續(xù)向工作面推進方向移動。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制推進方向水平移動曲線圖如圖5所示。各個測點水平位移從開切眼外向內(nèi)部逐漸增加，最大水平移動點位于A20點，最大水平位移量為822mm，說明在地表沉降過程中測點不但發(fā)生垂直方向位移，而且也發(fā)生水平位移，水平位移最大點處于接近充分沉陷的開始點A22位置之外。

圖5 A線水平移動變形曲線

2.2.2 B線測量總結(jié)

從圖4可知，B線測點的啟動時間為7月7日，啟動位置為B20測點，這是由于其位于上一區(qū)段的采空區(qū)內(nèi)，在本區(qū)段開采后受到采動影響發(fā)生二次穩(wěn)定，隨著開采位置接近并推過B線，本區(qū)段內(nèi)測點下沉量逐漸增加，最大下沉點位于工作面中部與A線交點位置附近，截至8月28日，下沉量為2.65m，沉降最大值已到最大下沉值附近?？傮w來看，地表沉降量在傾向方向由工作面中間向平巷方向逐漸減小，其中靠近42104區(qū)段下沉量較大，呈非對稱盤狀分布。

2.3 地表沉降參數(shù)求取

2.3.1 沉降邊界角

沉降邊界角表征移動盆地大小，沉降邊界角越大說明開采對采空區(qū)外的影響越小。一般取下沉10mm的點作為移動盆地的邊界求得邊界角，走向和傾向觀測的計算邊界角見表1。

表1 邊界角計算匯總

2.3.2 超前影響角

由于42105工作面A觀測線設(shè)置了 A1 —A47共計47個觀測點，當7月1日工作面推進到388m時，地表沉陷的邊界處于A47點。選擇典型的測點：

(1)6月20日，A41點，邊界處于500m，工作面251m附近，超前249m。

(2)6月24日，A44點，邊界處于560m，工作面 295m附近，超前265m。

(3)6月27日，A45點附近，邊界處于570m附近，工作面在327m，超前233m。

故超前影響角：

(4)最大下沉速度滯后角

最大下沉速度滯后距反映出煤炭開采對地表下沉影響最為劇烈的位置，一般滯后工作面后方一定范圍內(nèi)。根據(jù)觀測到的下沉數(shù)據(jù)，求取相應(yīng)下沉速度，選取關(guān)鍵時間點，繪制計算表格2，計算最大下沉速度滯后角為Φ=76°。

2.3.3 地表沉陷模型參數(shù)

根據(jù)礦區(qū)已有綜放開采地表移動規(guī)律分析方法，結(jié)合該工作面開采后地表移動觀測線 (A線和B線)的觀測結(jié)果，選用概率積分法模型作為該區(qū)地質(zhì)采礦條件下的地下開采地表沉陷模型。A線、B線和工作面綜合擬合確定的概率積分法模型參數(shù)如下：

(1)下沉系數(shù) 從測點下沉曲線中可以找出，走向線最大下沉點為A29點，下沉值為2.74m，采厚為6.7m，傾角平均4.5°。計算得下沉系數(shù)為：

(2)主要影響半徑 首先找到下沉量為0.5ωmax=1370mm處，位于A19和A20之間，差值法計算距離A19點3m處。根據(jù)最大下沉值為2740mm，計算得到0.16ωmax=438.4mm，該下沉點介于A15和A16之間，經(jīng)差值計算為距離A16點4m處，投影后求得 0.4r1=67.5m，r1=168.75m。

同樣方法求得下沉量為0.84ωmax=2301.6mm 處位于A21和A22之間，插值計算得到距離A21點4.23m，繼而求得 0.4r2=41.3m，故r2=103.25m。

即影響半徑r=(r1+r2)/2=136m。

綜上，42105工作面角量參數(shù)如表3所示。

表3 42105工作面角量參數(shù)

3 主要結(jié)論

(1)采空區(qū)下工作面回采引起的地表下沉變形特點與單一煤層開采下沉稍有不同，其隨著工作面的推進，地表下沉具有下沉啟動早、下沉速度快和達到最大下沉值時間短的主要特點。

(2)采空區(qū)下工作面回采最終形成的地表移動盆地屬于超充分采動狀態(tài)，地表移動和變形值較大。實測地表最大下沉值2740mm。傾向邊界角為58.7°，走向邊界角57.45°；超前影響距249m,超前影響角60.4°。地表沉陷模型參數(shù)如下：下沉系數(shù)0.41，主要影響半徑136m，水平移動系數(shù)0.3。

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