大采深非充分采动条件下地表移动和变形规律研究

陈兴隆，孙小岩

（河南大有能源股份有限公司 总工程师办公室，河南 义马472300）

河南能源新义煤矿为一座年生产能力达1.2Mt的新建矿井，由于煤层的开采深度较大，且没有相对可靠的地表移动变形参数，所以，有必要在11011首采工作面建立地表移动观测站，对该矿开采引起的地表移动和变形进行观测，通过对数据进行处理，得到矿井地表移动角值参数和概率积分参数，为以后村庄留设保护煤柱以及村庄下压煤安全合理的设计提供技术参数。

1 工作面地质采矿条件

11011工作面为新义煤矿首采工作面，走向长度120 m，倾斜长度797～831m，开采煤层为二1煤层，厚度在0.1～5.7m之间，平均厚度为2.6m，煤层倾角4°～16°，平均倾角5°。工作面标高－231.704m～－304.58m，地面标高＋390m～＋413m，平均采深为669m。11011工作面上覆岩层的平均厚度645.7m，其中第四系松散层厚度35.3m，砂岩厚304.5m，泥岩厚305.9m。伪顶局部发育，厚度0～2.5m，直接顶为泥岩、砂质泥岩，厚度1.52～4.96m，平均3.71m，老顶为大占砂岩。工作面开采煤层直接顶为较软的泥岩，老顶为坚硬砂岩，上覆岩层岩性综合评定为中硬岩层。11011工作面开采时间为2009年10月，已于2012年1月回采结束。

2 观测站的建立

开采之前，在开采影响范围内的地表，按照一定要求设置一系列相互联系的观测点。在采动过程中，定期地进行观测，确定其空间位置及其相对位置的变化〔1〕，通过对观测数据进行处理，得到井下工作面开采引起的地表移动和变形规律。由于11011工作面平均采深669m，采深较大，测点间距取40m，走向观测线长度560m，布置15个测点，倾斜观测线长度1720m，布置44个测点。观测站测点于工作面回采前埋设，2009年9月20日和24日进行了两次全面观测，以两次观测数据的平均值作为起算数据。从2009年12月5日到2012年8月2日，共进行了16次水准观测，为研究大采深开采地表移动和变形提供了现场观测数据。

3 观测数据分析

由于观测点埋设地区为丘陵，地表起伏较大，且工作面采深较大，地表没有发现非连续性破坏特征，因此按照下沉的一般规律对观测数据进行分析前，对于误差大的观测数据采取剔除处理〔2〕。

3.1 地表移动盆地角值参数

非充分采动条件时下沉系数用下式计算

式中：Wm为最大下沉值，实测值365mm；m为工作面开采厚度，9.5m；α为煤层倾角，5°；n1、n3为沿倾向和走向的采动程度系数，其值若大于1，则取1；D1、D3为采空区沿倾向和走向的实际长度，代入计算得到q＝0.11。

以下沉10mm的点作为移动盆地的边界点，确定出上山边界角为72.2°，走向边界角为66.6°。

根据实测资料，观测站倾斜方向最大下沉点为B18，该点距离采空区中心距离114.5m，且偏于上山方向，工作面平均采深669m，因此最大下沉角θ＝99.7°。由于工作面采深较大，工作面开采为非充分采动，观测站的移动和变形较小，没有直接观测到移动角。

3.2 Matlab拟合求取参数

走向方向下沉预计函数见式（2），倾斜方向下沉预计函数见式（3）。

通过对走向和倾向方向下沉曲线拟合（图2、图3），确定出新义矿地质采矿条件下的概率积分法参数（见表1）。

图2 倾向方向拟合曲线

图3 走向方向拟合曲线

表1 概率积分法参数汇总

根据得到的概率积分法参数，对工作面开采后任意点的移动和变形进行预计，根据预计结果判别建筑物是否受开采影响和受开采影响的程度。

下沉等值线、走向倾角等值线和走向水平变形等值线见图4、图5、图6。

图4 下沉等值线

图5 走向倾斜等值线

图6 走向水平变形等值线

从图4～6可以看出，工作面开采以后，地表最大下沉值380mm，倾斜最大值1.6mm／m，小于3.0mm／m；水平变形最大值1.6mm／m，小于2.0mm／m，地表倾斜和水平变形都较小，损害程度在Ⅰ级以内，所以工作面开采对地表建筑物影响较小。

4 结语

1）11011首采工作面采深大，上覆岩层中存在着坚硬的砂岩，地表移动和变形值较小，下沉系数仅为0.11，上山边界角为72.2°，走向边界角为66.6°，最大下沉角θ＝99.7°。

2）通过对观测数据进行处理得出：新义煤矿的下沉系数q＝0.11，水平移动系数b＝0.25，主要影响角正切tanβ＝2.24，开采影响传播角θ0＝87°，拐点偏移距s＝0.05 H0。

3）根据概率积分法预计结果，工作面开采对地表建筑物的影响程度在Ⅰ级以内。

〔1〕郭文兵，谭志祥，柴华斌，等 .煤矿开采损害与保护〔M〕.北京：煤炭工业出版社，2013.

〔2〕查剑锋，郭广礼 .综放开采地表移动规律实测研究〔J〕.矿山压力与顶板管理，2005（4），91－93.

〔3〕国家煤炭工业局 .建筑物、水体、铁路及主要井巷留设与压煤开采工程〔M〕.北京：煤炭工业出版社，2000.