特厚表土层岩移沉降规律研究及应用

[摘 要]1301工作面是彭庄煤矿的首采工作面，为摸清本矿的采空区对上覆岩层及表土层的运动范围、规律和相应的运动参数，全面掌握首采面采空区对地面的影响，通过对观测，最终确定地下开采引起的地表移动变形静态盆地的岩移参数。该参数为全矿各采区留设保护煤柱、回采巷道设计及优化提供了技术数据，并为巨野煤田周边新建矿井提供有参考价值的技术参数。

[关键词]特厚表土层；岩移规律参数；研究与应用

中图分类号：TF046.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）14-0293-02

一、概况

彭庄煤矿开采深为-450m至-1200m标高，设计生产能力为90万吨/年，是菏泽地区第一对投产的煤矿，表土层厚度平均为450m。本井田地层区划属华北地层区鲁西地层分区济宁地层小区，发育的地层有太古界泰山岩群、震旦系土门组、寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系蒙阴组、第三系、第四系。本井田含煤地层为下二迭统山西组和上石炭统太原组，平均地层总厚229.68m。共含煤24层，其中山西组3层；太原组21层。平均总厚8.02m，含煤系数3%，可采煤层有3下、6、16上、17煤层，平均总厚5.48m，占煤层总厚的68%，可采煤层中又以3下煤层最重要，平均总厚2.22m，占可采煤层总厚的49%，是本井田首采及主采煤层。首采工作面1301面于2006年9月开始回采，2007年8月结束。

二、观测站布设

地表移动观测站设立于彭庄煤矿1301工作面的正上方。测区内地表基本平坦，地面标高在41m左右。工作面宽150m，长1350m，平均埋深为450m，本观测站共设置了93个工作测点，6个控制点。此次地表移动观测，共进行了17次水准测量，3次全面观测。

三、观测数据整理计算

观测站各观测点间的移动变形计算主要包括：各测点的下沉和水平移动，相邻两测点间的倾斜和水平变形，相邻两线段的曲率变形，观测点的下沉速度等。测点某时刻的下沉，由该时刻观测到的测点高程与采前首次观测的测点高程之差计算得；测点某时刻的水平移动，由该时刻观测到的测点坐标与采前首次观测到的测点坐标变化经矢量分解后获得；相邻两测点间的倾斜和水平变形，分别由该相邻两测点的下沉之差和水平移动之差与该两测点间的水平距离之比获得，在计算两测点间的水平变形时，要考虑到测点的水平移动方向问题；相邻两线段的曲率变形，由该相邻两线段的倾斜之差与两线段的平均水平距离之比获得；测点的下沉速度，由测点前、后两次观测的间隔天数之比计算。

地表移动和变形的主要计算参数是根据最后依次全面观测结果计算的各测点移动变形值，以概率积分预计方法和求参程序为基础，引入位移反分析理论，结合曲线拟合的方法，利用专门的计算机程序来求取。

四、地表移动观测资料整理分析结果

根据计算，可分析研究1301工作面开采后在地表产生的移动盆地的范围、形状、大小以及各种角值参数；地表移动盆地某断面上的移动和变形分布及其特征，移动和变形最大值的位置；工作面推进过程中移动和变形的发展过程及其相应的主要参数；地表移动过程中，地表移动速度的变化以及与工作面的相应关系；地表移动各个阶段的持续时间以及地表移动持续的总时间；工作面开始回采到地表开始下沉的时间等。

4.1地表移动盆地概况

随着工作面的继续回采，地表下沉量逐渐增大，形成下沉盆地。观测到的地表最大下沉值609mm。综观整个沉降过程，未有突变现象，地表未产生塌陷坑，也未观测到裂缝。整个下沉盆地形似锅形。

4.2地表移动变形角值参数

依据地表下沉盆地边界点的下沉为10mm的标准，确定的该工作面地质采矿技术条件下的边界角为59°40′。

依据一般砖石结构建筑物的临界变形值的标准，确定的该工作面地质采矿技术条件下的移动角为62°59′。

将开采引起的地表移动变形观测结果作为已知条件，利用针对我国矿区普遍采用且效果较好的岩层与地表移动变形预计方法—概率积分法为计算模型所编制的计算机程序，通过对实测资料的曲线拟合，求取得到，适用于该地质采矿技术条件下充分采动时的概率积分法计算参数为：下沉系数q=0.95；水平移动系数b=0.25；主要影响正切值tgβ=1.6；应注意q=0.95是充分采动条件下的下沉系数，当工作面为非充分采动时，应按D3/2r计算k系数，然后计算该工作面条件下的下沉系数。

同时求得，该地质采矿技术条件下充分采动时的走向边界角为54°43′，倾向上山边界角为57°16′，倾向下山边界角为55°57′。走向移动角为59°53′，倾向上山移动角为62°07′，倾向下山移动角为61°06′。

为检验计算参数的正确性，利用上述参数，通过调整开采范围，进行的地表移动变形计算，均与其相应的计算结果相吻合，曲线拟合精度高。说明求得的计算参数符合实际。

4.3移动和变形的动态参数

通过观测启动距为70m，启动距与采深比表示为0.12H。计算得到，1301工作面开采后的最大超前影响距离为290m，是平均采深的0.5倍，超前影响角为63°26′左右。计算得到最大下沉速度滞后角为78°11′。

4.4地表移动速度的变化以及与工作面的相应关系

单层开采时，在整个地表移动过程中，地表任一点的下沉速度是有规律地变化的，开始时很慢，逐渐增大，达到最大值，然后逐渐变小，直至最后移动停止。在一般情况下，点的下沉速度的变化在时间上和空间上是连续的、渐变的。

根据计算，H19点具有最大下沉速度，故选取地表H19号测点作为研究对象，根据各次观测得到的该测点的下沉值，可计算得到该测点在不同时期受1301工作面开采影响的下沉速度，并由此绘得的地表点下沉速度曲线、下沉曲线及其与地下回采工作面之间的关系（图4），以反映地表点的移动动态变化规律。有图中可看出，当工作面接近测点下方时，测点的下沉速度开始增大。当工作面越过测点115m时，点的下沉速度达到最大，随后逐渐减小。

五、研究结论

⑴获得了地下开采引起的地表移动变形静态盆地的岩移参数，适用于该地质采矿技术条件下充分采动时的概率积分法计算参数为：下沉系数q=0.95；水平移动系数b=0.25；主要影响正切值tgβ=1.6；该地质采矿技术条件下充分采动时的走向边界角为54°43′，倾向上山边界角为57°16′，倾向下山边界角为55°57′。走向移动角为59°53′，倾向上山移动角为62°07′，倾向下山移动角为61°06′。

⑵通过对开采引起的地表移动变形观测数据的分析与处理，获得了开采过程中的动态岩移参数。具体为：启动距以距离与采深比表示为0.12H。，最大超前影响距离是平均采深的0.5倍，超前影响角为63°26′，回采工作面引起的地表测点的最大下沉速度为11mm/d，最大下沉速度滞后距为115m，约为平均开采深度的0.19倍，最大下沉速度滞后角为78°11′。

⑶1301工作面开采影响，地表移动变形历时16个月，未有突变现象，地表未产生塌陷坑，也未观测到裂缝，整个下沉盆地像锅形。

参考文献

[1] 王进，许娟.土体参数对地表沉降影响的数值模拟分析【J】.苏州科技学院学报，2012年6月.

作者简介

王中山（1978—），男，山东郓城人，硕士学位毕业，工程师，现任山东能源临矿集团菏泽煤电公司彭庄煤矿掘进一区区长。