煤礦深部開采地表沉陷規律研究

張道群

摘要：目前徐礦集團煤炭資源日趨枯竭，旗下大多煤礦已進入深部開采階段，地質結構較為復雜，工作面布置不規則及部分煤礦需要回收邊角煤柱等問題都對工作面的合理布置及開采后的地表沉陷計算帶來了嚴重的影響。基于此，本文在徐礦集團夾河礦深部建立了地表移動觀測站，開展深部地表移動變形觀測工作，分析地表移動變形規律，取得了可靠的地表移動變形參數。通過對監測數據和深部開采后地表移動變形規律的研究，以期為徐礦集團其他礦井的深部開采提供重要的借鑒資料。

關鍵詞：煤礦資源；深部開采；地表沉陷；移動變形規律

1.研究背景

目前據不完全統計，我國國有煤礦建筑物下、鐵路下、水體下以及承壓水上壓滯的煤炭儲量在130億t以上，建筑物下的壓煤量多大80億t，占整個“三下一上”壓煤量的60%，其中村莊下壓煤量最大，其次是工業場地下壓煤量，再其次是其他工業與民用建筑物下壓煤量。徐州礦務集團已有120多年的開采歷史，煤炭資源日趨枯竭，截至2006年底，煤礦可采儲量約5億t左右，其中“三下”壓煤量約3.1億t，占62%。并且目前大多數礦井已進入深部開采階段，地質構造復雜，工作面布置不規則，甚至有些礦井還需要回收邊角煤柱這些都給工作面的布置及開采后地表沉陷計算帶來很大難度。

開采沉陷預計是“三下”開采設計的基礎，地表及移動規律又是正確進行開采沉陷預報和合理留設保安煤柱的前提。為了確定丁場，李場，郭橋等村莊受開采影響程度，指導“三下”采義工作及村莊搬遷工作，盡量使村莊不遷或少遷，特在夾河礦深部建立地表移動觀測站，開展深部地表移動變形觀測工作，分析地表移動變形規律，取得可靠的地表移動變形參數。通過現場多個工作面采后地表觀測站得到的監測數據來分析，研究夾河礦深部煤層開采后地表移動變形規律。其結果將為徐州礦務集團公司其它礦井的深部開采有著重要的指導意義，同時對我國煤炭企業能最優的充分利用煤炭資源、保護環境，推動煤礦技術進步和煤炭工業的可持續發展也具有重要意義。

2.地面觀測站的設計布置

走向、傾向觀測線理論上是在工作面上方沿走向、傾向布置兩條垂直觀測線，根據夾河煤礦-1000m以下煤層賦存和地面村莊、農田、道路等實際情況，為了不占用地面土地.降低觀測站的建站費用，觀測點將來易于保存和使用，我們沿河漢公路大寨路各布置一條觀測線，觀測點間距50m左右，控制點間距50～80m，計103個測點。考慮監控李場村變形發展情況，在村內布置半條觀測線，點間距30～50m，測點20個。

2.1移動角值確定

本設計所用參數采用徐煤局（1990）898號文規定的徐州西部礦區地表移動和變形參數，按國家煤炭工業局2000年編寫的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》參照《煤礦測量手冊》中移動調整值的選取，并結合研究區域煤層傾角20-25°”，局部大于30°，下山，走向及上山移動角調整后的邊界角見下表

兩鉆孔資料本區沖積厚度選取100m，2447工作面開采上限為-945m，下限為-1010m，地表標高為41.5m。

2.2走向、傾向觀測線長度

觀測線的平面位置結合地表情況選擇，傾向觀測線起點為河漢公路的黃河橋終至大寨路北約500m，全長約3500m.走向觀測線西起徐州市西繞城高速公路，沿大寨路向東約3500m。為配合下一步礦開采計劃，在李場東西路至西繞城高速公路交叉處及村莊南北小路各設置兩條觀測線，測點間距離50m，控制點間距離80m，走向觀測線由于采區內工作面布置為雙翼走向長壁，開切眼向外又與龐莊礦相連，故走向根據現場情況盡量選取至西繞城高速公路附近，測點間距50m，李場村南北線測點間距30m，為盡量不受影響，控制點選取時，盡量選在了西繞城高速公路附近。

3.觀測站連測方法與日常觀測工作分析

根據夾河礦地面控制網和觀測站的位置，平面坐標依據徐州市三環路上的KSL1.STO1兩個已知GPS點為起始點，采用南方產靈銳S-82靜態GPS觀測求得，其精度達1/11.8萬，首次全面觀測采用日本產NIKON DTM-532型全站儀測量測點坐標，而后根據坐標計算兩點間距離，導線技術要求按5”導線要求，水準技照四等水準的技術要求進行實測，采用瑞士威爾特S3，水準儀配黑紅面尺。

全面觀測將各測點與地面控制網連測，包括各測點的水準測量、點間距的丈量和測點偏離觀測線的支距測量，地表移動前和地表移動后的全面測量必須獨立進行兩次。巡視測量在一般情況下，切眼起推進到13H-1/6H （H為采深）時，地表開始移動，即在預計可能首先移動的地區，選出幾個工作測點，每隔4～5天進行一次水準測量，當某一點累計下沉大于10mm時，即認為地表已開始移動，可進行第一次全面觀測，當進入活躍期時，應加密水準測量次數，每次觀測必須1天內完成。

工作面回采結束后，地表移動逐漸轉入衰退期，直至穩定，可在結束活躍期的全面觀測以后，進行定期的水準測量，其間隔時間一般為1～3個月，至地表各點6個月內的下沉量都不大于30mm為止，這時就可進行最后的全面測量。

采前的水準測量按國家四等水準利量的要求進行，移動期間和采后的水準測量時，必須先測量轉點的讀數，再按水準路線的前進方向，讀取各中間點的水準尺，直至下一個轉點，水準測量的各項限差均按現行規程要求，采前獨立進行的兩次水準測量，經平差后所得各測點之差，不得大于10mm，然后取平均值作為原始數據，IV等水準點必須附合于III等的觀測控制點上，每次水準測量前，均應對所用儀器、標尺進行檢校，達不到要求，不能使用。

各測點間的距離測量采用比長的鋼尺進行往返丈量，丈量時，對鋼尺施以15Kg的拉力，以不同起點讀數三次，讀至0.5mm.三次丈量互差不大于2mm，同時記錄溫度，計算時加入比長，溫度、傾斜改正。

采用測距僅進行支距測量時，先測出該測點和兩端控制點之間連線的夾角（a），再測出該測點到控制點之間的平距（D），支距S為各點的支距值必須注明它在觀測線的左方還是右方，或用“+”“-”號來表示。采前獨立兩次測量同一點的支距值之差不得大于30mm，然后取平均值作為原始數據。

4.結論

綜合觀測站幾年實測資料分析有如下結論：

（1）深部開采影響范圍較大，然而深部開采引起的地表移動與變形要比淺都小。相同的地質采礦條件下，淺部比深部更容易達到充分采動：隨著采出寬度的不斷增加，不管深部還是淺部地表各項移動變形值相應增大，但深部增加的幅度要比淺部小。隨著采寬的增加，深部開采引起的水平變形增加幅度既平緩又小。

（2）考慮觀測站設立前的下沉值，工作面按多次重復采動影響，根據最終觀測資料分析和類比得出，該區域深部傾斜煤層開采地表移動參數：地表下沉系數q=0.55，走向移動角δ=74°，下山移動角β=61°，表土層移動角φ=45°，上山移動角γ=70°。

（3）深部開采具有影響范圍大，下沉相對平緩，曲率變形值較小，巖層移動角偏大，開采影響傳播系數偏大，拐點偏移系數偏小，移動周期較長，活躍程度降低。回采基本在工作面推進500mm左右（5m/d推進速度）地面開始受影響，

下山方向比上山方向下沉值要大。