開采后復雜地形地表下沉變形規律研究

耿高峰

（西山煤電股份有限公司鎮城底礦，山西 古交 030203）

鎮城底礦井田位于呂梁山脈中段的東翼，屬中低山區，區內溝谷縱橫，切割劇烈，除山頂部分為黃土覆蓋外，其余大部均為基巖裸露，地形較為復雜。為解決復雜地形條件下“三下”開采問題，在22618 工作面設置地表移動觀測站，開展22618 工作面皮帶基礎沉陷、沿皮帶走向方向的水平位移和地表移動規律研究。

1 工作面概況

22618 工作面井下位于南六采區，北為760 東一總回風巷、皮帶巷、軌道巷，南鄰礦界，東鄰22620 工作面、22620-1 工作面（已采），其他為未采區。22618 工作面采用綜合機械化采煤，走向長2092 m，工作面傾向寬152 m，2.3 號煤層厚度2.70～3.85 m，平均厚度3.40 m，平均煤層傾角4°。地面標高1135～1250 m，工作面標高721～800 m。

2 工作面地表巖移觀測站的布設

2.1 觀測站設計開采沉陷角量參數

地表移動觀測站設計時所用參數依據《西山礦區保護煤柱設計規程》（試行）確定，取值如下[1]。

（1）基巖移動角 β=γ=δ=75°（其中，δ：走向移動角；β：傾向下山移動角；γ：傾向上山移動角）。

（2）松散層移動角φ：h=20～40 m，φ=55°。移動角修正值：△δ=△γ=△β=20o（其中，△δ：走向移動角修正值；△γ：傾向上山移動角修正值；△β：傾向下山移動角修正值）。

（3）充分采動角（走向ψ）：開采深厚比H/M ＞ 50，取 ψ=55o。

（4）最大下沉角 θ ：θ=90o～0.6α（α 為煤層傾角）。

2.2 觀測線及觀測點的確定

根據采礦引起的地表移動變形監測的需要，22618 工作面地表共設3 條觀測線，如圖1，一條走向觀測線（A-A’線）、一條傾向觀測線（B-B’線）和一條皮帶下方地表移動觀測線（C-C’線）。

圖1 22618 工作面觀測線平面示意圖

根據地表移動變形的一般規律，傾斜觀測線到開切眼的距離應為：

式中：H 為工作面邊界開采深度，m；h 為表土層厚度[2]，m。

由于22618 工作面所采2.3 號煤層屬于近水平煤層，所以走向觀測線（即A-A’線）擬布置在工作面的上方正中央處。為保證傾向觀測線位于走向方向的充分采動區域內，傾向線的位置結合公式（1）的計算結果，在沉陷影響區以外布設了三個控制點，其點位可根據地形來選擇，盡可能視野開闊。見表1。

式中：D 為傾向線距離開切眼的位置，m；55°為西山礦區充分采動角[3]。

表1 設計地表移動觀測線長度控制點、監測點及方位

3 皮帶移動結果與數據分析

3.1 觀測站的觀測數據說明

為準確掌握22618 工作面的開采對其皮帶運輸走廊的影響，研究中對皮帶運輸走廊基礎進行變形監測。在2019 年10 月25 日進行首次全面監測，最后一次監測是在2019 年12 月19 日。

3.2 結果與數據分析

3.2.1 皮帶運輸走廊基礎

由圖2 皮帶運輸走廊基礎各期監測點下沉情況可知，截至2019 年12 月19 日，地表最大下沉值為638 mm，位于22618 工作面右巷右側40 m 處。從該點所處的位置來看，該點并不是位于22618 采空區上方地表正中央，而是位于22618 工作面和22620 工作面之間保護煤柱上方地表。同時，該點位于坡體上，位于山坡體上的監測點所處的位置坡度越小，那么該監測點的下沉值也越小。由此可知，山區地表坡體滑移對地表下沉有一定的影響。

圖2 皮帶運輸走廊基礎各期監測點下沉

因此，山坡體對地表下沉有較大的影響。在山區復雜地形的影響下，地表下沉開始階段主要受地形的影響較大，當地表下沉趨于穩定以后，采空區對地表下沉曲線形狀的影響開始顯現。

3.2.2 皮帶水平位移分析

由圖3 沿皮帶走向水平位移可知，截至2019年12 月19 日，最大水平位移是位于22618 工作面左巷上方地表內側14 m 處，位移距離達209 mm，此點是位于22618 工作面的拉伸區。從2019 年10月25 日到2019 年11 月27 日，皮帶基礎監測點的水平位移基本上都是向左的。監測點沿皮帶走向水平移動自2019 年12 月05 日以后（工作面開采過皮帶120 m 以上），均沿皮帶方向向右位移，之前均沿皮帶方向向左移動。結果表明：在山區復雜地形的影響下，采礦引起的地表水平移動具有一定的滯后性。

3.3 觀測結論

（1）在開采初始階段，山區坡體對地表移動變形有較大的影響，尤其是當坡體位于下沉盆地的邊緣時，其影響更加明顯。在山區由于地形的影響，開采引起的地表移動變形具有一定的滯后性，且地表移動變形的活躍期比一般地質采礦條件長。

（2）在山區復雜地形和采礦擾動下，沿皮帶運輸走廊走向方向，皮帶基礎最大傾斜曲率均超過“三下采煤規程”中給定的三個臨界變形值。在該方向上皮帶運輸走廊遭受比較嚴重的采動損害，表現為擠壓變形，即遭受地表負曲率變形的影響，由于山區復雜地形的影響，在該方向上正曲率的影響較小。

圖3 沿皮帶走向水平位移

4 結語

研究中獲取的地表巖移參數有效補充和完善了該類礦區的開采沉陷資料，為該類礦區實施“三下”采煤，為保護煤柱設計提供了科學依據。