官地礦重復采動造成地表破壞程度分析

康新亮

(西山煤電(集團)有限責任公司，山西 太原 030053)

·問題探討·

官地礦重復采動造成地表破壞程度分析

康新亮

(西山煤電(集團)有限責任公司，山西 太原 030053)

依據官地礦29401工作面上方地表沉陷觀測站的監測數據，結合該工作面的地質采礦條件，分析了該礦重復采動造成的地表移動最大速度、地表移動的初始期和活躍期，得出了該地質采礦條件下重復采動對地表移動破壞造成的劇烈程度和持續時間，及在進行采煤沉陷治理時，需地表移動變形穩定后再治理更加合理，為該礦防治開采沉陷提供了科學的參考依據。

開采沉陷；重復采動；角量參數

西山煤電集團公司官地礦于1960年正式建礦，是由地方煤礦經過多次擴建而成的國有大型礦井，多年的開采引起地表塌陷、變形的問題日益嚴重，尤其現階段重復采動對地表的破壞影響巨大，采煤沉陷治理已是目前工作的重點之一。在對井下采煤造成的地表破壞進行維護治理時，因不清楚地表遭受破壞的劇烈程度和持續時間，往往施工維護治理后地表還會變形，造成了治理工程浪費，有時在治理過程中還會發生工作人員的安全事故，嚴重影響了礦區安全生產。因此，研究井下采煤對地表破壞的劇烈程度和持續時間對礦區安全生產非常迫切和必要。

1 工作面地質采礦條件

官地礦29401工作面地表標高1 270～1 375 m，蓋山厚度225～304 m. 工作面四周均為9號煤未采區，標高1 045～1 071 m. 上部2號、3號、6號煤層均為采空區，8號煤層結構為(1.07(1.27)3.41)，上分層部分開采。8號煤與9號煤層間距0.4～1.2 m，9號煤2.6～3.6 m,平均3.31 m. 該工作面采用高支架放頂煤回采技術(即采9號煤放8號煤)，平均回采厚度約7.5 m. 工作面開采參數見表1.

表1 工作面采礦條件表

2 觀測站布置情況

2.1 設計參數

因29401工作面是在上部采空區下重復采動，根據《西山礦區保護煤柱設計規程》(試行)選取29401觀測站設計參數時，結合重復采動基本規律，將各角值參數減少了5°，以保證重復采動對地表破壞更加嚴重時能夠監測到其分布規律，合理分析其造成地表移動劇烈程度及持續時間[1]. 得出設計所采用的巖層移動角值為下山移動角50°，上山移動角50°，走向移動角50°，最大下沉角87°.

2.2 觀測線位置

1) 29401工作面為規則矩形工作面，在其地表可沿工作面走向和傾向布設兩條相互垂直的工作線[2].

走向觀測線到工作面下山方向邊界的距離為：

L×cosα/2-H0/tgθ=81.7-13.6=68.1 m

式中：

L—工作面傾向長，m；

H0—平均采深，m；

α—煤層傾角，(°)；

θ—最大下沉角，(°).

2) 傾斜觀測線到開切眼的距離D應滿足公式：

D≥(H0-h)ctg(δ-Δδ)+hctgφ且D≥H0ctgφ.綜合地形情況確定為309 m.

式中：

h—表土層厚度，m；

H0—平均采深，m；

φ—松散層移動角，(°)；

φ—走向充分采動角，(°)；

δ—走向移動角，(°)；

Δδ—走向移動角修正值。

2.3 觀測線長度

1) 走向觀測線長度確定。

工作面走向可采長度L=571 m，而0.9H0=0.9×260 m=234 m，L>0.9H0為此走向觀測線設半條觀測線。走向觀測線工作測點段的長度根據公式：

h×ctgφ+(H0-h)×ctg(δ-Δδ)+L/2+S，計算得走向線長577 m.

式中：

h—表土層厚度,m；

H0—平均采深，m；

φ—松散層移動角，(°)；

L—工作面走向可采長度，m；

δ—走向移動角，(°)；

Δδ—走向移動角修正值；

S—走向線與傾向線相交點向停采線的延長距離，m.

2) 傾向觀測線長度確定。

工作面的傾向觀測線工作測點段長度根據下面公式計算：

2×h×ctgφ+(H1-h)×ctg(β-Δβ)+(H2-h)×ctg(γ-Δγ)+L×cosα，得傾向觀測線長600 m.

式中：

H1—下山采深，m；

L—工作面斜長，m；

a—煤層傾角，(°)；

H2—上山采深，m；

β—下山移動角，(°)；

γ—上山移動角，(°)；

Δβ—下山移動角修正值；

Δγ—上山移動角修正值。

考慮到重復采動比初采移動角要小，應在計算結果上加長一定距離。但結合實際地形較復雜，部分地形區域無法布點，最終調整走向觀測線長度為625 m，傾向觀測線長度為575 m.

觀測站與工作面對照平面圖見圖1.

圖1 觀測站與工作面對照平面圖

3 地表移動破壞劇烈程度及持續時間分析

在地表下沉速度曲線上，最大下沉速度總是滯后于回采工作面一個固定距離，此固定距離稱為最大下沉速度滯后距，把地表最大下沉速度點與相應的回采工作面連線，此連線和煤層(水平線)在采空區一側的夾角，稱為最大下沉速度滯后角。地表出現最大下沉速度的地點是該時刻地表移動最劇烈的地點。掌握了滯后角的變化規律，便可在工作面推進過程中隨時確定地表移動最劇烈的地區[3].

3.1 地表最大下沉速度

地表觀測點兩次觀測高程差除以兩次測量的時間間隔，得出的值為采動影響范圍內地表點在此時間間隔內的平均下沉速度。

觀測線觀測次數為10次，最大下沉點各期觀測值及計算結果見表2，下沉速度及地表移動持續時間見圖2.

表2 最大下沉點下沉速度計算表

圖2 地表移動變形下沉速度曲線圖

根據表2可以看出：2010年11月02日—2010年12月07日兩次觀測的下沉差為ΔW=2 577 mm，觀測間隔天數為t=35(d)，故地表最大下沉速度可按下式計算，即：

如圖2所示，地表點和下沉速度曲線(1)與下沉曲線(2)在時間上和空間上是連續的漸變的，說明工作面推進速度是影響地表下沉速度和地表移動持續時間的主要因素。

3.2 下沉速度系數K

實踐證明，工作面推進速度是影響地表下沉速度和地表移動持續時間的主要因素。一般單一工作面最大下沉速度的經驗公式可由下式表示：

式中：

K—下沉速度系數；

c—工作面推進速度，m/d；

H0—平均開采深度，m；

Wmax—本工作面最大下沉值，mm.

將最大下沉值、平均開采深度和工作面推進速度代入上式可反求出下沉速度系數K，本工作面最大下沉值Wmax=4 600 mm，工作面平均推進速度c=1.813 m/d，平均開采深度H0=260 m，Vmax=73.6 mm/日，代入得下沉速度系數為：2.29.

3.3 最大下沉速度滯后角φ

圖2中直線(3)反映了地表整個移動過程中最大下沉點到各時刻工作面相對位置變化關系，由此可從圖中求出滯后距L=28 m，則最大下沉速度滯后角φ，即：

由數據得出，滯后距較小及φ值偏大可能是因開采速度不均勻等因素引起。

3.4 地表移動持續時間

地表移動持續時間是指在充分或接近充分采動的情況下，地表最大下沉點從開始移動到移動穩定所持續的時間，包括：1) 移動變形初始階段：從移動開始至下沉速度剛達到1.67mm/d(或每月下沉量50mm). 2) 移動變形活躍階段：下沉速度大于1.67mm/d的階段 (或每月下沉量大于50mm). 3) 移動變形衰退階段：下沉速度剛小于1.67mm/d起至連續六個月內下沉總量不超過30mm時的階段。移動衰退階段以后，地表則處于穩定狀態。

從表2和圖2可以得出，觀測點從開始移動時間2010年6月17日到8月7號觀測期間，開始下沉且下沉速度比較緩慢，開始階段為20天；活躍階段從2010年8月7日至2011年2月13日，活躍期約為186天；衰退階段從2011年2月13日開始，由于觀測時間僅觀測到2011年06月08日，因而不能準確地確定衰退期的時間和地表移動變形持續的總時間。

根據一般的移動變形規律可知，活躍期約占總移動時間的25%，但下沉量占總沉降量的85%以上，衰退期較長，但下沉量很小。按活躍期186天計算可推知礦區地表移動變形的總時間大約為744天。

4 研究結論

1) 結合礦區的地質采礦條件，通過分析29401工作面監測數據，初步得出了官地礦地質采礦條件下重復采動引起地表破壞的劇烈程度及持續時間。

2) 通過分析，得出該工作面地表受采動影響的地表最大下沉速度滯后角，可以在類似工作面回采時隨時找到地表破壞最劇烈的地區，以便合理進行維護，做好防范工作。

3) 通過觀測數據，分析得出該工作面活躍期時間達到半年，可知在進行采煤沉陷治理時，需要等到地表移動變形穩定以后再治理才更加合理。

[1] 崔希民，陳立武.沉陷大變形動態監測與力學分析[M].北京：煤炭工業出版社，2004:52.

[2] 國家煤炭工業局制定.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程[M].北京：煤炭工業出版社，2000：5-20.

[3] 何國清，楊 倫，凌賡娣，等.礦山開采沉陷學[M].徐州：中國礦業大學出版社，1995：1.

Analysis on Surface Damage Caused by Repeated Mining in Same Location in Guandi Coal Mine

KANG Xinliang

Based on the monitoring data on surface subsidence observation above the No.29401 working face in Guangi Coal Mine, combined with the onsite geological mining conditions, the maximum surface movement speed and the rule in the initial and active stage caused by repeated mining are analyzed. It is concluded that the severity and duration of surface movement damage caused by repeated mining under the conditions of geological mining are obtained, and it is more reasonable to treat the surface after movement come to stable. The paper provides a scientific basis for reference.

Mining subsidence; Repeated mining; Angle parameter

2016-12-01

康新亮(1982—)，男，山西古交人，2009年畢業于中國礦業大學，碩士研究生，工程師，主要從事礦山開采沉陷方面的研究工作

(E-mail)kangxinliang@aliyun.com

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1672-0652(2017)01-0024-04