大埋深薄基岩综采工作面地表沉陷规律研究

张文山 刘峥 王海军

摘要：介绍了赵固一矿首采工作面开展的岩移观测站工作及其取得的成果，叙述了本矿巨厚冲积层薄基岩综采开采条件下地表沉陷规律的一些研究与实践，并对所取得的成果进行了一定的分析。

关键词：巨厚冲积层 薄基岩 综采 沉陷规律

1 矿井概况

赵固一矿位于焦作煤田东部、太行山南麓，行政区划隶属辉县市管辖，井田中心有公路通向新乡市、焦作市、辉县市、嘉县等，交通便利。

赵固一矿设计每年生产能力是240万吨，共有49年的服务年限。矿井主采二叠系山西组二1煤层，煤层倾角一般2～6°，赋存稳定，平均厚度5.29m，属全区可采的近水平稳定型厚煤层。煤种为低中灰、特低硫、低磷、高发热量的优质三号无烟煤，平均发热量29.9千卡/千克。

矿井采用立井单水平盘区式开拓，井口位置位于井田中深部，井口标高+83.8m，车场水平标高-525m，井深608.8m。工业广场内布置主、副、风3个立井。通风方式一开始是中央并列式，后来考虑到矿井边界安全出口，变成了两翼对角式的通风方式。

井田走向长2.0～5.5km，倾斜宽9.5～11km，具有43.77km2的含煤面积，3.73亿吨的总资源储量，可采储量1.64亿吨。井田范围内二1煤层处于瓦斯风化带中，属低瓦斯矿井，矿井开采条件较好。

赵固一矿属新建矿井，缺少岩移观测资料和工程实例参照。因此为了较准确获取该地区地表移动和变形规律及相关的地表移动和变形的各种角量参数与预计参数，总结规律，为土地复垦奠定理论基础和实测数据，决定对11011首采工作面做细致的地表岩移观测。

2 工作面概况

2.1 11011工作面布置情况 11011首采工作面位于东一盘区西部，其具体位于工业广场以东与石门河之间，文庄村东南，工作面中南部地面有西北流村，东北流村位于工作面南部以东地面，辉吴公路从工作面南部上方穿过。

2.2 开采地质条件 赵固一矿首采工作面主采煤层为二1煤，厚度5.93～6.42m，平均6.14m，煤层倾角沿工作面方向1～2°，沿推进方向近似煤层走向。煤层节理、层理发育，局部含有薄层夹矸，而且性脆，煤的硬度f=0.98～1.8。煤层顶板局部有炭质泥岩薄层伪顶。直接顶为1.7m～6.8m厚的泥岩、砂质泥岩，直接顶上部夹有0.4m左右的煤线。老顶为4.4m～6.5m厚的大占砂岩，高角度节理、裂隙比较发育，分层厚度0.3～0.5m，层间夹薄层泥岩或者砂质泥岩。二1煤层底板距L9灰岩12.2m～13.8m，距L8灰岩24.5m～25.7m。煤层底板到L9灰岩之间岩性为砂质泥岩、泥岩；L9灰岩到L8灰岩之间为泥岩。

根据三维地震资料及顺槽掘进过程中的观测，工作面内赋存的断层共计10条，其中六条对回采影响较大。

2.3 工作面开采情况 表土层厚度480m，煤层顶板标高-478.1m～-496.4m，煤层倾角0°～4°，走向长度1124.2m，倾斜长172.2m，平均采高3.3m，工作面实际回采率93%，循环进尺0.6m，推进速度6m/天。

工作面采用两端斜切进刀双向割煤方式，翻转摇臂割三角煤后转入正常割煤，采煤机割煤后随即移架、推移输送机，完成一个循环。工作面采用采煤机落煤、装煤，可弯曲刮板输送机运煤，顶板支护采用支撑掩护式放顶煤液压支架全封闭支护。工作面布置112架ZF6800/20/38型放顶煤液压支架，机头、机尾各3架ZFG7200/20/38型过渡液压支架，最大控顶距5.0m，最小控顶距4.4m，支架中心距1.5m，全封闭式顶板管理，空顶距小于340mm。

3 工作面地表沉陷观测情况

3.1 工作面观测点的布置与观测 由于11011工作面平均开采深度为575m，大于300m，根据《煤矿测量规程》的要求，观测站点间距选择为25m，需要在各条观测线工作长度以外设置观测站控制点各3个。在第一条倾向观测线东北、西南两头控制点编号为AW1、AW2、AW3、AE1、AE2、AE3，在第二条倾向观测线东北、西南两头控制点编号为BW1、BW2、BW3、BE1、BE2、BE3，在走向观测线西北、东南两头控制点编号为CN1、CN2、CN3、CS1、CS2、CS3由井下巷道导线点资料计算，A、C两条观测线交点A27的坐标为（3920076.592，467421.899），B、C两条观测线交点A27的坐标为（3919835.242，467600.085），走向观测线方位角为143°33′43〞，倾向观测线方位角为53°33′43〞。

控制点和工作测点标定位置挖一个直径0.2m～0.3m，深度不小于0.6m的坑，用混凝土灌注中间用16～20mm的圆钢筋作为标志，标志的顶部加工成球形，并钻一个深3～5mm、直径小于2mm的孔作为测点标志的中心。或用预制的测点埋设。圆钢筋顶部也可用钢锯锯成相互垂直的十字，作为测点标志的中心。在冻土地区，标志浇灌深度应在冻土线以下0.5m左右，标志周围填紧土石，和冻土隔离。控制点和工作测点按设计要求用2″级全站仪或DJ2级经纬仪配合钢尺标定，并按要求尽量布设在设计的方向线上。

11011工作面自2008年11月1日开始回采至2009年11月23日回采结束。在11011工作面开采过程中，在工作面上方设倾向观测线2条。观测线Ⅰ在2008年10月12日至2009年10月30日期间共测量了16次。观测线Ⅱ在2009年04月01日至2010年01月30日期间共测量了10次。

3.2 观测情况 通过观测：11011工作面中心地表最大下沉量约为采高的0.8倍，最大下沉量为2377mm；以工作面中心线为中心，倾向方向上半径500m范围内下沉量在50mm以上；下沉盆地以工作面走向中心线为长轴呈椭圆坑状。

4 地表沉陷规律分析

4.1 超前影响距和超前影响角 超前影响角的计算公式：？棕=arc cot■

式中：l——超前影响距，m；

H——平均开采深度575m。

根据11011工作面观测资料显示，得到超前影响距值如表1：

表1

■

由表可求得平均超前影响距为L=300m，超前影响角ω为

？棕=arc cot■=62.5°

4.2 最大下沉速度及滞后角和滞后距 地表最大下沉速度计算公式：

Vmax=k■W/H0

分析可知：最大下沉速度Vmax为41mm/d；工作面平均推进速度c为6m/d；工作面最大下沉值W约为2377mm；H0平均开采深度575m；该工作面下沉速度系数k为4.05。

地表最大下沉距计算公式：

？准=arc cot■

式中：l——滞后距，m；

H——平均开采深度575m。

根据实测资料得，采区中央点号的最大下沉速度均达2377mm/d。最大下沉速度滞后距为65～76.5m，最大下沉速度滞后角为82.4～83.5°。

5 岩移参数的拟合方法

影响地表移动变形的主要因素：下沉系数η；采深、岩性系数c等。在此工程实例中开采深度一定，是一定值不参与拟合；主要影响半径由主要影响角确定。因此，主要参与拟合的参数有：下沉系数；采深、岩性系数；主要影响角。

首先以观测线Ⅰ的第二次观测数据为基础数据，进行拟合，拟合出相关参数；再以此为基础参数进行第三次观测数据的拟合。如果拟合误差小于工程允许范围，拟合结束；反之，则继续拟合，直到拟合精度符合工程需求。

观测线Ⅰ第十六次观测拟合结果：

图1 观测线Ⅰ第十六次观测值拟合结果

观测线Ⅱ第十次观测拟合结果：

图2 观测线Ⅱ第十次观测值拟合结果

观测线Ⅰ、Ⅱ拟合结果汇总：

表2 观测线拟合结果汇总表

■

根据拟合结果及综合分析：下沉系数：q=0.91；主要影响角：β=72°；松散层移动角：φ=45°；采深、岩性系数：c=6。根据以上地表移动参数，应用剖面函数法、概率积分法等对矿区地表移动变形进行预计，确定地表变形范围，指导塌陷区综合治理及土地征用和村庄搬迁。

6 地表沉陷特征

6.1 11011工作面平均超前影响距为L=300m，超前影响角为62.5°，最大下沉速度达41mm/d，最大下沉速度滞后距平均为65～76.5m，最大下沉速度滞后角为82.4～83.5°。

6.2 厚冲积层薄基岩综采开采条件下地表沉陷具有最大下沉值、最大下沉速度、水平变形量明显偏大等特点。

6.3 11011工作面宽深比大，采动充分度大。同时11011工作面表土厚度大，基岩厚度偏小，覆岩相对软弱，采宽与基岩比大，从而使地表移动变形增大，盆地位于采空区中心上方附近。

7 结束语

①岩层移动传播到地表的沉陷现象，反映了岩层移动的传播方式和移动状况，为地表移动的描述和预测提供依据。②开采沉陷引起的岩层与地表移动属于大变形理论范畴，从开采沉陷的机理上讲，由煤矿开采所诱发的土地沉陷可以用“两种移动”和“三种变形”来描述。③必须采取必要的措施来避免开采沉陷，因为其对土地资源的影响和破坏是巨大的。

参考文献：

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[3]张建华.薄基岩浅埋煤层安全开采技术研究[D].太原理工大学，2011.