察哈素煤礦3101工作面地表沉降觀測與分析

陶彥名，賈江偉，燕杰星

（國電建投內蒙古能源有限公司察哈素煤礦，內蒙古 烏蘭木倫 017209）

煤炭在我國能源結構中占有重要地位，是國民經濟發展的重要保障。煤炭資源從地下采出，在回采的過程中，上覆巖層遭到不同程度的破壞。當開采面積達到相當程度以后，隨著采空區范圍的擴大，上覆巖層的移動和變形可擴展到地表，引起地表大面積塌陷和裂縫，對地表建筑物、公路等造成損害；同時地表水土流失加劇了地區生態破壞和荒漠化，惡化地表環境。對于采空區地表沉陷問題，國內外專家開展了多方面的研究，使得地表沉陷預計理論更加豐富，并因地制宜地建立了科學合理的地表沉陷預測方法，預計結果的精確性得到了顯著提高。本文在學習前人的基礎上，以察哈素煤礦31采區首采工作面3101工作面為背景，結合地質環境對地表沉陷影響因素進行分析，并進行現場實測，準確預測采空區沉陷范圍，為工作面回采及其地表建筑物的安全提供技術支持。

1 工程概況

察哈素煤礦3101 工作面主采3-1煤層，是31采區的首采工作面。煤層厚度5.03～6.7 m，平均6.015 m，煤層厚度變化總體較小，屬于穩定煤層。工作面地質構造簡單，煤層傾角1°～3°，屬于自燃煤層。工作面走向長度為2 503.74 m，寬度300.58 m。工作面采用走向長壁后退式全部垮落綜合機械化采煤工藝，雙柱掩護式液壓支架支護，采空區頂板自然垮落。3101工作面地表屬高原侵蝕性丘陵地貌，地形縱橫切割，形成梁峁、枝狀溝谷，基巖裸露，植被稀少。地表松散層厚度較小，平均厚度11.37 m，由細砂和粉質粘土組成，屬于薄表土層厚基巖地貌，地表沉陷變形等同于基巖的沉陷變形。3101工作面平均采深418.3 m，煤層平均開采厚度4.5 m，采厚比92.9，工作面布置見圖1。

圖1 3101工作面平面布置

2 地質及開采條件對地表移動變形的影響

地下采掘活動破壞了原巖應力的平衡，導致了上覆巖層的變形與破壞。采場頂板結構決定了上覆巖層的破壞形式，破壞范圍的擴大影響造成地表的沉陷破壞。由于煤層上覆地表地形地貌的不同，地下煤炭開采對山區地表移動變形規律與平地的移動變形規律有明顯的不同。實踐表明：受區域地形和地貌的影響，山區、丘陵地區地下近水平煤層的開采沉陷引起的地表移動破壞可分為兩種：

1）地表連續性移動與變形，稱為山區地表移動或采動滑移。

2）地表非連續性移動與破壞，包括采動滑坡與槽形塌陷等。地質條件在很大程度上影響地表移動變形規律，主要表現在影響地表移動變形的指標、參數、角值等的大小以及主要量值的出現位置，體現不同的變形規律。

2.1 覆巖力學性質和巖層層位的影響

組成地層巖石的強度不同，有堅硬（f＞6）、中硬（f=3～6）和軟弱（f＜3）三種類型。在采礦過程中，巖石力學性質對巖層和地表移動影響很大，不同覆巖的組合，對地表移動量、移動規律有較大的影響。察哈素煤礦3101工作面覆巖屬于中硬偏硬巖層條件，具體分析產生的景象如下：（1）巖層及地表下沉量小。3101工作面上覆巖層屬于中硬偏硬巖層破裂后碎漲系數大，充填了部分采空區，從而使巖層及地表下沉量小；（2）地表變形移動角大 。覆巖偏硬使地表變形量較小，移動角較大，從而使危險移動范圍減小。察哈素煤礦3101工作面上覆巖層為中硬偏硬巖層，基巖走向移動角79°，符合國內的一般經驗范圍。

2.2 松散層對地表移動特征的影響

采礦活動引起地表移動和沉陷，與地表的地物、地貌有很大的關系。針對第四系、新第三系未形成層狀巖石的沉積層，稱之為松散層，如沖積層、洪積層、殘積層等。察哈素煤礦3101工作面對應地表屬高原侵蝕性丘陵地貌特征，地形縱橫切割，形成梁峁、枝狀溝谷，基巖裸露，植被稀少。地表松散層覆蓋程度不均勻，局部地段無地表松散層，基巖風化裸露，基巖的傾斜角度對地表移動特征有很大影響。

2.3 開采厚度和開采深度的影響

煤層的開采厚度是影響上覆巖層破壞和地表移動破壞的主要因素之一。開采過程中，煤層的開采厚度越大，形成的采空區的空間相應會增加，導致上覆巖層的冒落帶、導水裂隙帶高度相應會增加，巖層與地表移動變形與煤層的開采厚度一般呈正相關的關系。隨著開采深度的增加，地表移動變形值相對減小，且隨著地表范圍的擴大，地表形成的移動盆地更平緩。各種變形值和采深成反比，采厚比越小地表移動變形值越劇烈。在采厚比很小的情況下，地表將出現大量裂縫、臺階，甚至出現塌陷坑；隨著采厚比的增加，裂縫相對減少，地表移動變形值相對減小。察哈素煤礦3101工作面的采深平均418 m，平均采高度4.5 m，采厚92.9，根據實測數據分析巖層的移動形式主要為法向彎曲和斷裂，地表出現裂隙形式，地表移動和變形在時間和空間上是連續的、漸變的，具有明顯規律性。

2.4 開采范圍的影響

在開采過程中，采區的尺寸大小影響著地表的移動破壞范圍，影響地表的采動程度。采動程度常用寬深比D/H表示，包括三種狀態：分別為地表非充分采動、地表充分采動、地表超充分采動。察哈素煤礦3101工作面采空區沿傾向長度為300.58 m，沿走向的長度為2 503.74 m，其寬深比D/H由以下公式求得：

我國的實測資料表明，在一般情況下，地表為非充分采動寬深比小于1.2～1.4 ； 地表充分采動寬深比在1.2～1.4之間；地表超充分采動寬深比大于1.2～1.4。察哈素煤礦3101工作面傾向未達到充分采動狀態，走向達到超充分采動狀態。

3 3101工作面巖移觀測站的設計及布設

通過對3101工作面的地質及開采條件對地表移動變形的影響因素分析，在研究3101工作面在開采過程中的沉降規律、地表移動與變形的相關參數的基礎上，對地表變形情況進行監測。地表移動變形監測的主要內容有：在煤層開采的過程中，定期測定觀測線上各個測點在不同時間內的空間位置變化。地表移動監測工作內容：觀測站的連接測量，全面觀測，單獨進行水準測量，地表破壞的測定和編錄。用GPS對工作面開采沉降的監測主要有兩種模式：控制點的靜態定位、觀測站的動態測量（RTK技術）。

針對3101工作面實際情況，沿工作面走向設計一條走向觀測線，觀測線的長度應超出采動影響范圍，工作面走向長度為2 503.74 m，觀測線LZ基線長度3 306 m；傾向長度為300.58 m，兩條半傾向觀測線LQ、LP基線長度600 m、605 m。共布設控制點8個，觀測站134個，根據各觀測站不同的觀測需要測站間距設置為20 m、40 m、106 m和400 m。3101工作面地表巖移觀測站沿走向、傾向觀測線布置參數見表1。

表1 地表巖移觀測站沿走向、傾向觀測線布置參數

為了確保3101工作面在回采過程中監測成果的可靠性，各觀測站的控制點均布設在地表不受采動影響的穩定區域，并進行編號。察哈素煤礦3101工作面地表所布置的走向觀測線LZ貫穿工作面全長，地形起伏不平，觀測站z19～z21由谷頂布設到溝壑底部，落差3～15 m。

4 監測成果分析

4.1 地表移動變形角值及其相關參數

按照國家相關規定，各觀測站在回采之前一個月布設完畢。3101工作面自2012年12月份開始回采，截止2013年11月，走向線LZ進行了21次高程和平面位置測量，傾向線LQ進行了7次高程和平面位置的測量。在此期間，地表距離工作面切眼水平距離400～1 120 m處，走向主斷面范圍內地表沉降趨于穩定，一定程度上可以反映地表最終沉降值。根據2013.11.13走向觀測線LZ測量數據計算并繪制地表下沉角值曲線，得到走向主斷面各類角值：邊界角δ0=70°，移動角δ=79°，裂隙角δ“=85°，充分采動角ψ=61°，拐點偏移距s=58 m。根據觀測，3101工作面地表沉陷達到10 mm時，此時工作面推進134.2 m，因此啟動距L啟=134.2 m，3101作面超前影響距l0=104.4 m，超前影響角wc=76.1°。

4.2 地表沉降與推進速度的關系

當工作面開采時，由于地表沉降的不均勻性，下沉曲線會出現局部起伏。此外，工作面推進速度的變化及采高的控制都會引起沉降的不均勻變化。工作面回采初期，推進速度很緩慢，上覆巖層沉降充分，隨著推進速度趨于正常，巖層的沉降往往滯后于工作面回采位置；同時采高增大頂板垮落時回轉空間加大，裂隙帶和彎曲帶向上覆巖層深部擴展，地表沉降加劇。3101工作面走向觀測線LZ從切眼至1 250 m共觀測9次。所測數據經過分析整理后所反映的地表移動變形的特征見圖2。

圖2 工作面走向觀測線地表下沉曲線

4.3 地表變形情況

察哈素煤礦地表土層性質為砂質粘土，地表大溝斷面呈“U”型，小溝斷面呈“V”型。開采后，地表開裂變形有2組方向：分別為平行工作面走向和垂直于順槽方向，為張開形裂縫，地表裂縫寬度最大約800 mm，裂縫深度達4 000 mm以上，但無明顯的臺階下沉。

5 結語

1）工作面覆巖力學性質與巖層層位、煤層開采深度及厚度、開采范圍、松散層是影響地表移動變形的因素。

2）工作面各個測站設置合理，控制點布設合格，能夠滿足3101工作面回采過程中地表移動監測的需要。

3）測定的工作面地表移動變形角值及其相關參數、地表變形情況對本礦其它工作面的回采，以及建筑物下采煤巖移等問題有著重要的指導意義。