煤礦開采覆巖與地表地質變化分析

曹桂芳

（大同煤礦集團有限公司煤峪口礦地測科，山西 大同 037041）

煤礦開采對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響一直以來都是備注關注的問題。由于煤礦開采導致地下覆巖發(fā)生變化，跟隨著地表的地質也發(fā)生變化，主要變現(xiàn)為地面植被覆蓋率低、出現(xiàn)塌陷、滑坡等自然災害。為避免煤礦開采所導致生態(tài)環(huán)境被破壞以及影響煤礦可持續(xù)開采的問題，需對開采過程中的覆巖和地表地質變化進行詳細分析，并針對性的提出合理的調控技術和建議[1]。

1 工程概況

本文以同煤某礦工作面為例對其覆巖及地表地質變化進行分析，該工作面的走向長度為3224 m，其中傾斜工作面的總長度為284.3 m。經探測，工作面的煤層結構相對簡單，屬于穩(wěn)定性煤層，該工作面的頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 同煤某礦工作面頂?shù)装迩闆r

經探測，該工作面上方覆巖的厚度范圍為35 m至98.5 m，覆巖的平均厚度為42 m。該工作面的平均涌水量為75 m3/h；相對瓦斯涌出量為0.08 m3/t。目前，在實際開采中工作面采用錨桿+錨索與金屬網聯(lián)合支護方式進行支護。經對對該工作面礦壓觀測可知，其最大來壓強度為48.7 MPa，周期來壓的最大強度值為49.5 MPa。而且，在工作面存在風沙滲透的情況，說明地表可能存在裂隙[2]。因此，急需對該工作面開采的覆巖和地表地質變化進行分析。

2 工作面覆巖變化分析

本文采用模擬實驗的方式對覆巖的變化情況進行分析。結合同煤某礦工作面的地質、煤層等條件建立試驗模型，根據(jù)實際情況所設計試驗模型的巖層數(shù)量總計為20層。為了保證基于試驗所獲取結果的準確性，要求所搭建的試驗模型具有足夠的剛度，即保證整個試驗模型的穩(wěn)定性。為此，建立試驗模型的高度為4 m，寬度為0.3 m，高度為2.2 m。為了保證所監(jiān)測數(shù)據(jù)的全面性，在所建立表面設置7條觀測線，且每條觀測線上分布有26個觀測點。

本次試驗采用電子全站儀對各個觀測點隨著煤層開采時的位移變化進行監(jiān)測。根據(jù)該工作面的推進速度為15 m/d，換算所得試驗模型的開采速度為15 cm/2.4 h；對于240 m工作面開采所需時間為16 d，換算所得試驗模型開采完成所需時間為1.6 d。根據(jù)實際生產情況，對于所建立的模型每天開挖四次，共需開挖4 d后完成，對應每天開挖時間分別為8點整、10點30分、15點整以及17點30分[3]。每次開挖后均需仔細記錄工作面頂板的破壞記錄，并詳細記錄地表裂隙出現(xiàn)的時間和頂板下沉量，每次開挖后的試驗結果如表1所示。

如下頁圖1所示，本次模擬試驗中覆巖下沉量最大值為3500 mm；工作面不同頂板的破斷距離和最大控頂距離如下頁表2所示。

表2 頂板破斷距離及最大控頂距離 m

結合圖1的試驗結果，對應到實際工作面覆巖的變形可總結：在工作面煤層頂板上方84 m位置的覆巖出現(xiàn)嚴重跨落和離層的現(xiàn)象，且對應地表出現(xiàn)縫隙的發(fā)育平均角度為53°。

圖1 覆巖下沉曲線

3 工作面地表變形分析

為獲取工作面地表變形的精準數(shù)據(jù)，在工作面停采附近的位置設立地表移動觀測站對地表變形情況進行監(jiān)測。結合“2”中所得覆巖變形結果，在停采線附近總共布置23個觀測點，且每個觀測點之間的間距為15 m[4]。整個觀測從2019年11月至2020年9月結束，期間共完成水準測量十一次，平面測量十次，主要對地表變化的穩(wěn)態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)進行監(jiān)測。

3.1 穩(wěn)態(tài)參數(shù)的分析

監(jiān)測的穩(wěn)態(tài)參數(shù)包括有邊界角、移動角、裂縫角以及充分采動角等。各個穩(wěn)態(tài)參數(shù)的檢測結果及分析闡述如下：

1）對于邊界角而言，包括有上山綜合邊界角和下山綜合邊界角。其中，在不考慮煤層傾角的情況下綜合邊界角為60.02°；綜合考慮煤層傾角的關系，得出上山和下山綜合邊界角為43.92°。

2）對于移動角，著重對主斷面和傾向斷面的移動角進行監(jiān)測。其中，主斷面綜合移動角為67.07°，傾向主斷面移動角為58.39°。

3）地表綜合走向裂縫角為67.07°，而且上山裂縫角和下山裂縫角均為63.08°。

4）地表綜合充分采動角為51.07°，上山和下山的充分采動角均為43.92°。

3.2 動態(tài)參數(shù)的分析

動態(tài)參數(shù)表征的是隨著開采的進行地表在活躍其的參數(shù)變化，包括有超前影響距、超前影響角和最大下沉速度[5]。在將近一年的測量中，得出如表3所示的結果。

表3 動態(tài)參數(shù)測量

4 結論

煤礦實際開采過程中會對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成影響，在影響當?shù)鼐用袢粘ＵＩ畹耐瑫r還極大制約了煤礦的可持續(xù)發(fā)展。本文對同煤某礦工作面的覆巖及地表地質變化情況進行分析得出如下結論：

1）在工作面煤層上方84 m的位置會出現(xiàn)覆巖垮落以及離層等現(xiàn)象，且明確了該工作面的直接頂和老頂?shù)淖畲罂仨斁嚯x和破斷距離。

2）得出工作面穩(wěn)態(tài)和動態(tài)參數(shù)的變化情況，為后續(xù)煤礦開采地表及覆巖變化提供依據(jù)。