厚煤層機械化放頂煤開采沉陷規律研究*

任傳建，雷 勇，汪李輝，王志紅

（貴州工程應用技術學院 礦業工程學院，貴州 畢節 551700）

引言

作為采煤大國，開采沉陷是我國目前煤礦開采面臨的重要問題之一[1]。地下煤炭的采出，使巖體的原始力學平衡狀態受到破壞，上覆巖層產生移動與變形，當開采面積達到一定范圍后，移動與變形將擴展到地表，使地表發生移動和變形，形成開采沉陷問題[2]。由于開采沉陷受礦山地質條件和采礦技術等諸多因素影響，開采沉陷及其引發的地表移動規律的研究涉及的學科眾多，是十分復雜的動力學問題[3]，從巖體采動初期應力變化到巖體冒落、斷裂、離層，直到地表移動甚至地表塌陷的整個過程，都呈現出明顯的非線性機制和規律。為保護井巷、地面設施和水體等，使其免受開采的有害影響，必須掌握地表與覆巖受采動影響的移動和變形規律。煤層開采后所引起的地表移動變形規律的特點已引起廣大采礦工作者和有關部門的高度重視[4-5]。

1 概況

選取的實驗工作面位于-810 水平，工作面地面投影為農田、一水溝從工作面南部流過，地面標高為+43.61～+43.95m，以西為尚未開采的1303N 工作面，以東為開采完畢的1301N 工作面，以北是未開采的三采區，工作面平均走向長度為2570m，傾斜寬度258m，工作面開采面積663060m2；可采煤層為三層煤，煤層傾角 2°～6°，煤平均厚度為9.4m。煤層較穩定，但結構復雜，屬于厚煤層放頂煤開采。

2 地面觀測

2.1 觀測站設計

由于實驗工作面采用綜合機械化放頂煤開采技術，沉陷變形規律特殊，還要兼顧留設煤柱的安全性，因此地表移動觀測站設計時，應根據現場的實際情況，靈活地進行觀測線布設。本文在進行觀測站設計時，主要考慮了以下幾個方面：

（1）觀測站沿工作面的走向和傾向成線狀布置。

（2）盡量選取平坦地勢區布置觀測線。

（3）為了使測點能夠更有效地反映地表移動的特征，充分結合工作面的地質條件、采礦條件以及相鄰工作面的地表移動參考資料。

（4）考慮到占用農田可能引發的土地征用、農作物補償以及植被對視線的遮擋影響等因素，進行了開采前的觀測，選擇適當的觀測頻次。

2.2 觀測站的布設形式

為保證觀測站點不受工作面采動下沉影響，在移動盆地以外選取了6 個點建立GPS 監測網，監測網的點分布在測區周圍并臨近觀測線，點位穩定有利于保存。水準基點是為了測定工作測點的高程而建立的，其要求與控制點一樣，也設置在移動盆地范圍以外，在條件合適的地方，可與控制點合二為一。本觀測站這六個點均為水準基點。

圖1 P01-P40（走向）實測與預計下沉曲線圖

圖2 P01-P40（傾向）實測與預計下沉曲線圖

由于初步預計的采空區最大下沉達3200mm，會導致地面積水，為了在此條件下能夠順利進行測量，根據測點在移動盆地中的位置和預計下沉量決定采用合適的點結構，對部分測點需作特別處理，甚至部分點需要進行接高。所有測點均為預制混凝土樁，樁中間的鋼筋（直徑為20mm）作標志（其底部為人字形，頂部為球形），在球形頂部為直徑小于2mm，深度為5mm 的鉆孔，在鉆孔中嵌入銅芯，以此作為測點標志中心。

2.3 GPS 監測網的建立及觀測站的聯測

觀測站聯測的目的是將礦區坐標系統按一定的精度要求傳遞到地表移動觀測站，根據《煤礦測量規程》，傳統的觀測站聯測方法是：根據礦區地面控制網，按近井點測量的要求測量觀測線交點或某一控制點的平面坐標和高程。其余控制點的平面坐標可用一級導線的方法求得。由于本觀測站設計采用全球定位系統（GPS）進行觀測，因此可采用建立監測網方式進行觀測站聯測，即聯測礦區地面控制網中的 N1、N2、N3、W1、W2、W3 六個平面控制點和 N1、N2、N3、W1、W2、W3 六個高程控制點（這些點均位于移動影響范圍外的穩定地區），與觀測站的控制點和水準基點一起組成監測網，監測網用GPS 測量方法按D 級平面控制網的要求進行觀測。采用三等水準要求進行礦區高程控制點與觀測站水準基點聯測。

接下來在設置觀測站地區未受采動影響之前，進行了兩次獨立的全面觀測，獲得各測點的高程及其相應的平面位置，并且記錄原有的地表破壞，對破壞情況進行詳細描述。該部分的工作在聯測之后而地表尚未移動之前進行，要求兩次測量的同一觀測點的高程差小于10mm，同一邊長差值小于4mm，求取這兩次觀測的平均值作為初次觀測數據。

而在有采動影響，產生地表移動的過程中，需要求得地表下沉的最大速度，最終確定地表移動的停止時間。該階段日常觀測工作采取重復水準測量，按四等水準測量的精度要求用單程的附合水準或水準支線進行往返測量，其時間間隔根據地表下沉的速度確定（地表下沉活躍期觀測周期約為15 天；衰退期可延長至30 天）。日常觀測中，需在采掘工程平面圖上將觀測日期和工作面位置及時標定。若出現地表移動異常，需要及時進行記錄發生時間和描述其詳細情況，以便更準確和真實地獲得礦井的地表移動規律。

3 地表移動觀測資料整理分析

工作面自回采以來，地表下沉量逐漸增大，形成下沉盆地。最近一次的觀測，地表最大下沉值約6131mm（位P19 處）。根據觀測數據，使用概率積分法計算獲得了以下參數：下沉系數q=0.80，水平移動系數b=0.35，主要影響角正切值 tgβ=2.2，最大下沉角 θ=90°-0.5α（0.5 為開采影響系數），拐點平移距s=50m。為檢驗參數的正確性，首先運用概率積分法對工作面進行地表下沉預計，然后將得到的下沉曲線與最后一期的觀測結果進行擬合比較，結果顯示兩者擬合情況良好，說明求得的計算參數符合實際，圖1、圖2為實測與預計下沉曲線圖。

地表移動速度的變化及其與工作面的相應關系。地表任意一點在下沉過程中是規律變化的，下沉初期，下沉速度較慢，但隨著時間推移，速度變大，最終達到一個最大值，達到最大值之后，速度開始減慢直至停止。因此，在時間和空間上下沉點速度變化是連續和漸變的。

根據計算，在觀測期間，p19 點具有最大下沉值，達到6130mm，故選取地表p19 號測點作為研究對象，圖3 中的B 實線表示地表P19 號測點在整個移動過程中的下沉值變化，A 實線表示測點的下沉速度變化。從曲線的分布可看出，地表點的下沉速度在整個移動過程中是有規律變化的，其數值是先由小到大。地表點的下沉速度在整個移動過程中具有的最大下沉速度為36.5mm/d，最大下沉速度后，下沉速度變化將逐漸平緩，最終基本達到穩定狀態。

4 結論

通過厚煤層機械化放頂煤實驗工作面觀測數據的整理分析，獲得了該地區工作面開采后引起的地表變形的各項參數，進而根據下沉速度曲線分析地表點的動態移動變化規律，豐富了該區的地表沉陷理論，為該區的礦區安全開采提供了供參考的技術參數和變形預計方法，對于厚煤層機械化放頂煤的開采和研究具有一定實踐意義。