工作面岩移观测站技术成果分析

孙劲松

（辽宁省工程技术学校，辽宁 沈阳 110034）

1 概述

东曲矿是一座新投产的特大型现代化矿井，矿井投产以来，虽建立过一系列岩移观测站，但在2号煤采出后重复开采4号煤工作面时未建立过地表岩移观测站，未能全面求取东曲矿4号煤复采情况下的各项岩移参数，严重制约、限制着矿井的生产。为求取东曲矿4号煤复采情况下的实际岩移参数，为分析本矿井范围内地表移动规律提供基础数据，为今后的矿井设计、生产打下坚实基础，东曲矿地测科于2003年在14402工作面上方建立了一个地表岩移观测站。

该观测站位于东曲矿14402工作面上方。14402工作面是东曲矿四采区第一个4号煤工作面，上覆12402工作面采空区。4号煤直接底为粉砂岩，厚2.75米。伪顶为炭质泥岩，厚0.2米，直接顶细砂岩，厚10.6～11.6米。地面标高1210～1336米，工作面底板标高968～1026米，盖山厚度184～340米，地面小部分地段覆盖第二系黄土，厚0～30米，大部分地段为裸露基岩和风化堆积场。从掘进揭露的几个断层看，均为小断层，预计不会对地表移动形态产生明显影响。该工作面为综采工作面，采煤方法为倾斜长壁，顶板自然跨落。

2 地表与岩层移动概述

2.1 相关的基本概念

a.弯曲，当地下煤层被采出后，从其直接顶到地表将沿起层理的法线方向弯曲。弯曲是岩移的主要形式。b.冒落，煤层被采出后其上覆岩层最初的弯曲达到一定限度后，其直接顶板岩层将与整体分开，破碎成小的岩块而落下来充填采空区，这种移动形式称为冒落。冒落是岩移中最剧烈的一种形式。c.片帮，煤层采出后，采空区顶板岩层内出现悬空，其压力便转移到煤壁上，形成增压区，煤壁在附近加载荷的作用下，一部分被压碎并垮向采空区，这种现象称为片帮。片帮将使采空区边界以外的上覆岩层与地表产生移动。d.岩石沿层面的滑动，当煤层倾斜时，岩石的自重力方向与岩层的层理面不垂直，岩石除产生沿其法向的弯曲外，还将产生沿层理方向的滑动。e.垮落岩石的下滑，当煤层倾角较大时，上山部分回采过后，这时开采下山部分的煤层，上山部分的垮落岩石可能下滑充填下山部分的采空区，从而使上山部分的岩层和地表移动加剧，下山部分岩层移动减弱。f.底鼓，如果煤层底板岩石很软且倾角较大，在煤层采出后，底板在垂直方向减压，水平方向减压，造成底板向采空区方向隆起的现象，称为底鼓。

2.1.2 地表移动盆地

当开采影响波及到地表之后，受采动影响的地表从原有标高向下沉降，从而在采空区上方形成一个比采空区面积大得多的沉陷区域，这种地表沉陷区域称为地表移动盆地，其大小和形状主要与煤层倾角、采空区的大小和采深是否达到充分采动有关。所谓充分采动是指地下煤层采出后，地表下沉值达到该地质采矿条件下应有的最大值。

2.2 移动盆地的主断面

地表移动盆地内各点的移动和变形虽不完全相同，但在一般情况下，移动和变形的分布是有规律的。通常状况下，通过采空区中心与煤层走向平行或垂直的断面上的地表移动值最大，该断面我们称为移动盆地的主断面。在主断面上不仅移动量最大，而且地表移动盆地的范围也是最大的。因此，在研究煤层开采引起的地表移动和变形分布的规律时，在很多情况下我们只研究主断面上的地表移动和变形。

2.3 地表移动盆地的边界角、移动角和裂缝角

在地表移动盆地内不同区域移动和变形的程度不同，根据地表移动和变形的程度和实际需要，将移动盆地划分为三个边界。

a.移动盆地的最外边界

以地表移动和变形都为零的点圈出的边界，称为移动盆地的最外边界。

b.危险移动边界

采用仿真的手段，使用Matlab/Simulink模块搭建纯电动船的能量消耗模型。并用该模型得到一个典型周期的能量消耗量。模型主要包括储能装置模块、负载模块以及能量管理模块。

危险移动边界是以地表移动与变形对建筑物有无危害而划分的边界。

c.移动盆地的裂缝边界

裂缝边界是根据移动盆地内最外侧的裂缝圈定的边界。

2.4 保护煤柱的留设

保护煤柱是指为保护煤层上方的岩层和地表的保护对象不受开采的影响，而在井下留设的不予开采的部分煤层。通过留设保护煤柱虽可保护其上部的岩层和建筑物等，但留设的煤柱将暂时甚至永远不能采出，造成了大量煤炭资源的浪费，而且留设保护煤柱将增大采掘工程量、使采掘工作复杂化。保护煤柱的留设方法：保护煤柱留设原理是在受护对象下方留出一部分煤炭不予开采，使其周围煤炭的开采对受护对象不产生危险性的移动和变形。确定保护煤柱边界的方法有垂直剖面法、垂线法和数字标高投影法等。常用的垂直剖面法分为三个过程，确定受护边界；确定围护带的宽度；确定保护煤柱的边界。

3 观测站的观测情况

观测站共布置四个控制点，采用GPS卫星定位系统与矿区控制网连接，求取其三维坐标，按四等控制网的精度要求施测，高程系统按等外水准的精度要求施测。

观测点埋设10天后，我科组织人员进行了一次全面观测，获取了各观测点的三维坐标，到工作面安装完毕进行回采后，进入起动距前，进行了首次观测。在地表移动初期及活跃期，观测时间间隔为30天，以后逐渐拉长时间间隔，直至地表稳定为止。由于受地形条件的限制，观测点的观测采用主、副点观测，根据地形的实际情况，选择 10、14、23、24 作为主点，其余观测点为副点。每次观测时，从两个控制点起始，通过各主点附和至另外两个控制点，形成一条附和导线，按5秒导线的精度要求进行施测。在进行平面控制的同时，采用光电测距高程导线代替直接水准的方法观测各主点，以三角高程测量的方法观测各副点，以全面求取各观测点的三维坐标。

到工作面移动稳定为止，我科对观测点总共观测7次，每次观测均严格按照《煤矿测量规程》进行，成功地取得7次观测成果，并记录了地表破坏情况。

4 地表移动观测资料的计算及整理分析

14402工作面地表移动观测站从建站到最后一次观测历时近一年，共进行了7次观测，掌握了宝贵的外业资料。外业工作结束后，立即对观测资料进行了分析，按地表下沉10mm确定的综合移动角为：

β（15-1）=62°β（15-26）=55°

原采用的综合移动角为：β=68°

通过以上分析结果可以看出，重复开采时的综合移动角明显小于开采2号煤时的综合移动角，而且沿煤层走向方向上14402工作面范围小于12402工作面，走向方向综合移动角也比较大，沿煤层倾向方向上14402工作面范围大于12402工作面，倾向方向综合移动角也比较小（工作面布置情况见附图）。经过分析，我们可以得到以下经验：

4.1 开采上层煤时上覆岩层已经冒落、断裂、弯曲并最终稳定，但是岩层的结构已经遭到破坏。重复开采下层煤时必将影响地表岩层移动，从而使井下开采波及到地表更大的范围。在一定程度上可以将上覆岩层视为松散层。尤其是下层煤开采范围大于上层煤开采范围时。

4.2 在层间距很小时，重复开采下层煤必然使顶板冒落，和上层煤采空区连成一个整体。因此，我们应该将两层以及层间距统一看作采厚处理。我们在重复开采情况下留设地表建筑物保护煤柱时，应该充分考虑以上因素。

5 观测站建立的实际意义

通过14402工作面岩移观测站的建立、观测以及分析，使我们掌握了东曲矿在重复开采情况下地表移动的基础数据以及移动的基本规律。并且可以为整个西山矿区的地表移动提供可靠的参考数据。

14402工作面岩移观测站的建立，为我矿今后下组煤开采时保护煤柱的留设提供可靠的基础数据，对地表建筑物等免受或少受开采的有害影响具有重要意义，尤其是东曲矿这样的多煤层矿井更是具有不可估量的现实意义。

[1]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京：煤炭工业出版社，2000.

[2]煤炭工业部生产司.煤矿测量手册[M].北京：煤炭工业出版社，1989.

[3]高井祥，张书毕.测量学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2007.