曹家灘煤礦首采工作面地表移動規律分析

華照來，李錦明

(陜西陜煤曹家灘礦業有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

曹家灘井田位于鄂爾多斯高原東北部，陜北黃土高原北部，毛烏素沙漠東南緣。井田內最高處位于井田北部石廟梁，標高+1 352.2 m，最低處位于井田東部野雞河溝田家圪臺，標高約+1 223.30 m，最大高差128.9 m，一般標高+1 290 m。地表地貌包括沙丘沙地和風沙灘地、黃土梁峁地貌。首采煤層2-2煤全區可采，煤層的結構簡單，一般不含夾矸，局部頂部或底部有1～2層夾矸，厚度0.04～0.26 m，煤層傾角平緩，地質構造簡單，開采技術條件優越，煤層埋藏深度255～338 m，煤層厚度較穩定，為8.08～12.7 m，平均厚度為11.2 m。

曹家灘首采工作面采用分層大采高綜采工藝，工作面傾向長度為350 m，屬于超長工作面，推進長度約為6.2 km，上分層采高平均為7.0 m。開展首采工作面地表巖移參數的研究可以為其后續工作面的安全回采提供指導[1-3]，此外，探究覆巖及地表移動變形的規律對覆巖中含水層、地表建(構)筑物的保護具有重要意義。

1 地表移動觀測設計

1.1 地表觀測站布設

剖面線觀測站：根據設站的目的，合理選擇觀測站的布設形式[4-6]。觀測站一般分為剖面線觀測站和網狀觀測線2種。剖面線觀測站是目前礦區應用較多的一種布站形式，即在主斷面上(傾斜與走向)方向上布點成直線形[7-9]，如圖1所示。剖面線觀測站一般由2條觀測線組成。一條沿煤層走向方向，一條沿傾斜方向，互相垂直并相交。

圖1 剖面線狀觀測站

網狀觀測站：網狀觀測站是在地表設立較多測點，組成網狀觀測站，如圖2所示。網狀觀測站可觀測整個采動范圍，觀測資料比較全面、準確，可進行全盆地移動變形分析。但是網狀觀測站測點數目太多，觀測工作量大，因而這種方法一般只在產狀復雜的礦層或在建筑物密集的地區開采時應用[10-13]。

圖2 網狀觀測站

1.2 地表觀測線布設

控制點布設：根據開采區地表地形分析，在采區之外根據地表已有永久控制點確定觀測線的控制點至少2～3個(R1～R3)并與走向觀測線相連接，根據已知控制點的平面坐標和高程，將控制點加密到6個點(R1～R6)，工作測點的外端點與控制點的間距及控制點與控制點的間距不宜小于50 m。

實地測線布設：沿走向方向布置一條觀測線(Z線)；沿傾向布置一條傾向觀測線，且與走向方向線基本垂直。由于受地形影響，實際布設測線時對2條測線的長度、A線和Z線距離都做了相應調整。

觀測點的埋設：曹家灘煤礦首采工作面埋深約340 m，依據“測點密度的選取參考表”，測點之間距離選取25 m。根據理論分析，A線長1 047.5 m，距切眼距離418.7 m，A線共布置測點43個，編號為A1～A43；其中A線兩端各設2個控制點；Z線長為687.5 m，Z線共布置測點29個，Z1～Z29，Z線在工作面外設3個控制點。

觀測點實地標定：結合井上下對照圖與觀測線及其測點布設圖，在圖紙上量RZ1、RZ2和RZ3起始坐標，并由已知控制點K1、K2準確放樣出RZ1、RZ2和RZ3坐標并測定出其實際坐標，從而由RZ1、RZ2和RZ3放樣出走向觀測線(Z)。同樣，在圖紙上量取RA1、RA2坐標，在實地標定出其坐標，由K1、K2放樣RA1、RA2實地位置，由RA1、RA2點的坐標放樣出走向觀測線(A)。所用材料為木樁和釘子，每個測點須用紅漆寫上編號，在以后正式埋設時要予以保留，防止再測量時漏點和便于記數，測點間距一般設為25 m范圍，如果遇到特殊地形可適當加以調整。盡量保證同一條觀測線上的測點在一條直線上，傾向觀測線與走向觀測線垂直。

1.3 122106工作面觀測成果

對122106工作面觀測成果進行整理和分析，得到地表移動監測成果見表1。

表1 地表移動角值和最大變形

2 工作面地表移動規律試驗

2.1 UDEC數值模擬

(Z線)工作面推進方向基巖及地表移動規律：隨著工作面的推進地表不斷下沉，最大下沉量分別為3.14 m、3.63 m、3.75 m、3.86 m、3.97 m、4.21 m，表明地表下沉在第7次來壓后就趨于穩定，最大下沉量為4.21 m。工作面開挖800 m，回采穩定，整個采空區上部呈現下沉盆地。

(A線)工作面傾向方向基巖及地表移動規律：工作面開挖800 m，回采穩定，沿工作面傾向方向A線基本處于穩定狀態，整個采空區上部呈現下沉盆地，地表最大下沉量達到3.34 m。

地表巖移影響范圍分析：由圖3可知，沿工作面走向方向，800～1 000 m之內的測點位于實體煤上方，可見工作面的回采對實體煤上方地表影響范圍在800～900 m，即影響范圍為100 m。由圖4可知，沿工作面傾向方向，500～650 m之內的測點位于實體煤上方，可見工作面的回采對實體煤上方地表影響范圍在500～625 m，即影響范圍為125 m。由此判斷工作面開挖對實體煤上方地表的影響范圍在100～125 m。

圖3 工作面開挖800 m Z線下沉曲線

圖4 工作面開挖800 m A線下沉曲線

2.2 物理模擬

模擬結果：在各煤層工作面開挖試驗過程中，每隔3～5 min開挖一次，推進2.0 cm，模型2-2煤采高為2.8 cm；按照相似比例(1∶250)，為了更真實地表述各煤層實際開采情況，在試驗描述過程中均采用相似比例換算到實際數據進行表達。圖5為10次周期來壓地表的位移曲線，前3次周期來壓地表下沉量不大，第4、5次周期來壓，垮落帶高度分別為19.6 cm、25.2 cm。第6次周期來壓，微裂隙發展到基巖頂界面；第7次周期來壓，微裂隙進一步擴展；第8次周期來壓，地表出現下沉并出現微裂隙；第9次周期來壓，地表出現裂隙；第10次周期來壓，地表裂隙進一步擴展。

圖5 物理模擬試驗模型地表下沉曲線

結果分析：由此可見，第4次周期來壓，地表下沉量明顯增大，表明第4次周期來壓時關鍵層破斷導致關鍵層上覆巖層的下沉。隨著工作面的推進，地表進一步下沉，第7次周期來壓時，地表最大下沉量為增速緩慢并趨于穩定。第10次周期來壓時，地表最大下沉量為1.63 cm，實際換算為4.08 m，與實際情況相符合。表2為現場實測、數值模擬、物理模擬3種方法10個周期來壓地表最大下沉量，對比分析3種方法的所得數據，其相差不大，表明觀測數據可靠。

表2 不同觀測方法10個周期來壓地表最大下沉量

3 結論

(1)通過現場監測、數據分析，得出了曹家灘煤礦2-2煤層開采地表巖層移動參數，主要包括綜合開采邊界角、綜合移動角、綜合裂縫角、基巖邊界角、土層邊界角等參數。

(2)采用離散元UDEC數值模擬軟件分別對122106工作面的走向和傾向建立了數值模擬模型，模擬了煤層開采時的地表巖層移動規律。發現地表的下沉只出現在采空區上部及附近一定范圍內，且其下沉呈對稱分布；表明地表下沉在第7次來壓后就趨于穩定，最大下沉量為4.21 m，傾向模型的最大下沉量為3.36 m。

(3)采用物理模擬方法對122106工作面十次周期來壓的覆巖移動規律分析，得出和數值模擬類似的規律，表明2種研究方法相互印證，與實測結果一致。