三元中能礦2306工作面地表沉陷變形規律研究

秘 鑫

(長治三元中能煤業有限公司，山西 長治 046000)

深入了解、掌握地表沉陷變形規律是安全進行“三下”采煤的基礎[1-2]。近幾十年來，我國工程技術人員通過建立大量觀測站，對地表沉陷變形進行了深入研究，但隨著采深的增加，以及一次采全高、綜放等采煤方法的廣泛應用，該條件下的巖層移動及地表沉降已呈現出不同規律特征，因此，對綜放或一次采全高等采煤方法下的工作面地表沉降及變形規律開展深入研究，變得十分必要[3-5]。

對于地表沉陷規律，國外學者先后提出了二等分線、圓拱、斜面等理論[6-7]，從宏觀上對沉降作出理論描述。我國學者自20世紀50年代起，在多地建立了數千個觀測站[8]，進行了大量觀測研究，并結合數值模擬、相似模擬方法，開展了一系列微觀研究，提出了概率積分法、負指數函數法、曲線法等理論方法[9-10]，從沉降量、巖移、曲率、移動角等微觀數據上，對地表沉降及巖移規律進行了描述。本文通過在2306工作面對應地表沿走向與傾向分別設置觀測線，經長時間大量觀測，采用概率積分法對所得數據進行理論分析，提出該工作面一次采全高條件下的地表沉陷變形規律，為安全進行“三下”采煤提供數據支撐，為同類型“三下”采煤的現場管理提供參考。

1 工程概況

1.1 礦井概況

三元中能礦位于長子縣東南一帶，距縣城約8 km，井田范圍約40.8 km2，其中，南北向約6.6 km，東西向約7.5 km。該礦設計生產能力240萬t/a，全區采用單水平開拓。

1.2 觀測工作面概況

此次地表沉降觀測的2306工作面，平均煤層厚度4.30～5.12 m，東西走向長1 760 m，南北傾斜長249.5 m，傾角0～10°，埋深474 m，使用放頂煤開采法、全部垮落法管理頂板。回采工作從2018年3月開始，到2019年7月結束。區域內地質情況整體相對簡單，僅存在幾條落差不大的小斷層。

工作面對應地表整體平坦，標高介于+939～+950 m之間，平均標高+942 m，上部主要是砂巖、泥巖和黃土層。直接頂主要是砂質泥巖、泥巖，質地松軟、強度差；老頂呈現半堅硬-堅硬狀，主是是中-細粒砂巖；直接底以砂質泥巖、泥巖為主，老底為中厚細砂巖，質地堅硬。

2 工程實踐

2.1 觀測站布置

根據現場條件，結合《煤礦測量規程》相關要求，為方便數據觀測及分析處理，在2306工作面對應地表，分別沿走向和傾向布置觀測線，其中，沿走向東西布置A線，沿著傾斜方向南北布置B線，A、B兩線相互垂直，均處于移動盆地主斷面中軸線上。為保證控制點穩定可靠，計算得出地表移動影響盆地范圍邊界，在邊界外部設置控制點。B線設置控制點3個、觀測點45個，控制點編號為R1～R3，觀測點編號為1～45，控制點處于1號觀測點北側。A線同樣設置控制點3個，編號R4～R6；觀測點41個，編號46～86，控制點位于觀測點西側。全站設置控制點6個，觀測點86個，走向測線長1 104.9 m，傾斜測線長1 264.2 m。控制點及觀測點的設置情況見表1和圖1。

表1 2306工作面地表沉陷觀測點布置匯總

圖1 工作面地表沉陷觀測站布置

根據有關規程規定，為確保觀測點穩定可靠，各測點使用混凝土樁埋入基土層0.5 m深，確保測點可以隨沉降和巖移吻合移動，以此來確保觀測數據的準確可靠。

2.2 變形觀測

2306工作面于2018年3月13日開始回采，首次全面觀測于2018年3月26日完成，保證了基準數據的準確性。至2019年7月16日回采結束，歷時1年零4個月，工作面推進1 760 m，平均每天推進3.8 m。期間，每月進行1次全面觀測，累計完成18次導線測量和18次日常水準觀測，獲得大量數據資料，可以及時、完整、準確地反映沉降變形的真實變化規律。

3 地表沉陷變形規律分析

從現場地表沉陷變形及數據整體情況來看，2306工作面因采深較大，煤層較厚，且使用一次采全高采煤法開采、全部垮落法管理頂板，回采效率高、強度大，地表沉降變形十分劇烈。

3.1 主要參數

根據目前較為常用的分析方法，通過計算采動過程中不同時間的地表下沉量、傾斜率、曲率、水平移動量和水平變形值等參數，來反映和描述地表移動變形的整體規律。

其中，下沉量通過n次觀測高程值與初始高程值的差值來得出；傾斜率由兩點間的下沉量除以兩點間距得出；三點間的曲率，由相鄰兩段的傾斜率之差除以兩端水平距離之和得出；水平移動數值由某點第n次觀測到控制點的水平距離與首次觀測時該點到控制點的距離之差得出；水平變形值由第n次觀測兩點間水平距離變化量除以兩點間首次觀測水平距離得出。

3.2 數據分析

依據上述算法，得出了采動過程中不同時間的地表下沉量、傾斜率、曲率、水平移動量和水平變形值及相應曲線圖。據此得出各測線最大移動變形值見表2，部分變形曲線見圖2和圖3。

表2 各測線最大移動變形值

圖2 地表實測沉陷與變形曲線走向(A走向)

圖3 地表實測沉陷與變形曲線傾向(B傾向)

根據數據匯總分析，從下沉圖中可以看出，A測線中間測點下沉量較大，而控制點附近測點下沉量相對較小，當工作面推進約400 m時，80號測點下沉量趨于穩定，且地表移動變形曲線隨回采面的向前推動向前平移，并逐步趨于穩定；而從傾向B觀測線的沉陷變形曲線來看，中間測點變形較大，兩邊測點變形較小，并且在第20、27號測點處變形曲線分別出現兩個拐點；從下沉量圖中可以看出，在開采初期地面下沉量較小，并且全線下沉量相差不大，但當工作面推進到約300 m時，中間測點下沉量增大，隨著回采面的推進，地表移動變形數據逐漸增大到一定數值后趨向穩定。以上規律說明，地表的沉陷變形具有連續重復特點，符合開采沉降的理論規律，從而證實了此次沉陷變形觀測的數據是真實可信的，該觀測成果是真實可靠的。

3.3 規律分析

根據現場觀測，結合數據分析，在回采進程中，地表沉陷變形十分活躍。回采約400 m，最大沉降量已達3 300 mm，是最終下沉量的90%，地表已沉陷，盆地已然清晰可見。最大下沉點在盆地中部，向邊界處逐漸減小，影響范圍較大。具體呈現以下規律：

1) 地表沉陷變形十分活躍，移動變形整體上分布較為集中。分析可知，因回采速度快，上覆巖層垮落沉降速度同樣加速，帶動采空區周圍板塊的時間及荷載均較小，進而形成分布集中的沉降盆地。

2) 沉陷變形呈現出一定的厚松散層特征。根據曲線可知，移動變形量以拐點為分界線，內側沉降量大、斜率大，而在拐點外側沉降量小、斜率較小，沉降變形臺階不明顯。

3) 地表沉陷速率大，地表沉陷變形時間段較為集中。地表沉陷變形速度與回采速率呈正相關。根據觀測，地表移動變形整體上分為初始期、活躍期和衰退期，其中，以活躍期變形量最為明顯，沉陷量占到總沉陷量的98.0%左右，初始期及衰退期沉降量降較小。根據日常觀測數據可確定，初始期、活躍期和衰退期時間段分別占有28 d、161 d和199 d。

4) 地表裂隙裂縫比較發育，下沉臺階不夠明顯。第一種情況，隨回采進行，走向因動態拉伸而形成與工作面幾乎平行的裂縫，也會隨工作面回采而閉合；第二種情況，工作面邊界區域形成裂縫，一旦形成便固定下來。

5 結 語

深入研究地表沉陷變形規律對于有效保護地表建構筑物、減少“三下”壓煤具有重要意義，通過一年多的現場觀測及數據分析，深入了解、掌握了一次采全高條件下的地表沉陷變形規律。

1) 根據沉陷觀測變形曲線，A測線中間測點下沉量較大，而控制點附近測點下沉量相對較小，當工作面推進約400 m時，80號測點下沉量趨于穩定，且地表移動變形曲線隨回采面的向前推動而向前平移，并逐步趨于穩定；從傾向B觀測線的沉陷變形曲線圖來看，中間測點變形較大，兩邊測點變形較小，并且在第20號、27號測點處變形曲線分別出現兩個拐點；從下沉量圖中可以看出，在開采初期地面下沉量較小，并且全線下沉量相差不大，但當工作面推進到約300 m時，中間測點下沉量增大，隨著回采面的推進，地表移動變形數據逐漸增大到一定數值后，趨向穩定。

2) 2306工作面地表沉陷變形呈現出一定的厚松散層特征。根據曲線可知，移動變形量以拐點為分界線，內側沉降量大、斜率大，而在拐點外側沉降量小、斜率較小，沉降變形臺階不明顯。

3) 地表移動變形整體上分為初始期、活躍期和衰退期，時間段分別占有28 d、161 d和199 d。其中，以活躍期變形量最為明顯，時間上僅占41.5%，但此階段內沉陷量占到總沉陷量的98.0%左右。