综放开采地表移动变形规律的研究

时间：2024-07-28

柳建锋

(山西汾西矿业(集团)有限责任公司高阳煤矿，山西孝义 032306)

开采沉陷监测是地表构筑物保护，保护煤柱留设等工作开展的基础，同时监测结果也可指导后续采区布置[1～3]。山西某矿由于地表村庄、河流及道路等密集，煤炭开采时面临“三下”压煤严重，在一定程度上影响矿井发展。为了最大程度提升煤炭开采率，提升采区以及矿井煤炭开采年限，需要对地表变形机械实时观测，从而掌握地表移动规律，便于指导矿井后续生产。

1 工程地质条件

2306综放采工作面位移矿井东一采区，采面周边均为实体煤，采面设计走向长约2150m、斜长232m，开采3号煤，煤厚7.1m。3号煤埋深平均400m，煤层赋存稳定，地质构造不发育，面由东向西推进开采，于2017年10月开始回采、2019年2月回次完毕，平均割煤速度为2.5m/d。

2 测站布置

为了掌握回采工作面开采后引起的地表变形情况，在2306采面对应地表上布置一条走向、一条倾向测站，具体见图1。

图1 2306采面地表测线布置示意图

走向测站全长1105m，共计布置33个测点，其中3个为控制点；倾向方向布置测线总长1170m，共计42个测点，其中3个为控制点。测点间距均为25m、控制点间距在50m。

测点材质为混凝土预制桩，于2017年9月完成地表观测点混凝土桩的浇筑以及埋设。

地表位移监测从2017年10月开始至2019年10月结束，监测耗时24个月，取得大量的监测数据。

3 监测数据分析

1)地表岩层下沉分析

通过地表变形监测数据得知，具体表1为测量过程中得到的地表最大下沉量值，图2为走向测点部下沉量监测曲线。

表1 地表下沉量值监测结果

从图2中看出，随着回采工作面推进范围的不断增加，地表下沉量值以及塌陷下沉范围也逐渐扩大，观测数据符合开采沉陷后的一般变化规律，说明地表变形监测数据资料具有较强的可靠性。

图2 走向测点部下沉量监测曲线

2)岩移角值

对变形观测数据进综合计算分析，从而获取到采面上山、下山以及煤层走向方向岩层移动边界角、裂缝以及移动角，具体结果见表2。

表2 岩移角值

3)采面地表变形形态

为了充分掌握2306采面开采后引起的地表变形形态，对走向测线部分监测数据分析，得到2306采面对应地表动态变形参数值，具体见表3。

表3 地表动态变形参数值

选取走向方向具有代表性的测点绘制监测点下沉量及下沉速变化曲线，具体根据21号测点监测数据绘制得到的下沉量及下沉速变化曲线见图3。

从图3看出，随着开采开采的不断增加，采面对应地表变形量且剧烈，短时间内的地表下沉量及下沉速度增加显著，下沉量主要出现在地表岩层移动活跃期。根据观测资料，采面开采后地表下沉、运移持续时间可达到484d具体可细分成初始期、活跃期以及衰退期[4～6]。初始期占地表下沉移动总时间的10.2%，期间下沉量占总下沉量的3.2%；活跃期占地表下沉移动总时间的36.5%，期间下沉量占总下沉量的94.3%；衰退期占地表下沉移动总时间的53.3%，期间下沉量占总下沉量的2.4%。

4)概率积分法预计岩移参数

根据观测获取到的地表变形数据，通过曲线拟合法对数据进行计算分析，从而获取得到概率积分法岩移参数，计算结果见表4。

图3 下沉量及下沉速变化曲线

表4 概率积分法预计岩移参数

3 地表移动变形规律分析

根据地表变形监测结果得知，2306采面开采后地表下沉盆地边缘陡峭，沉陷区分布较为集中，在回采工作面对应的正上方下沉量最大，在采面开采边界处塌陷曲线陡峭，护巷煤柱正上方下沉量值较为明显，变形下沉曲线平滑，延伸扩展范围较广。

采面开采后引起的地表下沉系数、影响传播系数以及主要影响角正切值等主要变形参数较大。地表下沉量速速较为明显，由于开采的3号煤层厚度大，同时综放开采方式一次开采厚度7.12m煤层开采强度大，导致煤层开采后引起的覆岩变形破碎剧烈，地表出现连续且快速沉陷，地表以及岩层下沉、移动变形加剧且速度显著增加，变形剧烈且集中。

地表高速下沉持续时间段，主要沉降期发生在活跃期，其中活跃期仅占地表移动下沉时间的36.6%、下沉量占地表下沉总量的94.3%。